DE3712490A1

DE3712490A1 - Porengroessensteuerung unter anwendung von plasmapolymerisations-verfahren

Info

Publication number: DE3712490A1
Application number: DE19873712490
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nomura
Original assignee: Applied Membrane Technology Inc
Current assignee: Applied Membrane Technology Inc
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1987-04-13
Publication date: 1987-10-15
Also published as: JPS62294401A; DK185587D0; US4806246A; DK185587A; AU7134987A

Description

Die Erfindung betrifft mikroporöse hydrophobische Membranen, die mit einem Plasmapolymer beschichtet sind, um die Porengröße des Membransubstrats auf einen Wert zu reduzieren, der nicht kleiner als etwa 10 A (Angström) ist. Es gibt drei Typen von Plasmapolymerisat-Beschichtungen, die auf das Membransubstrat aufgebracht werden können, um die gewünschte Reduktion der Porengröße zu erreichen.

Durch die Erfindung soll auch ein Verfahren zur Herstellung solcher mikroporöser Verbundmembranen mit reduzierter Porengröße vorgeschlagen werden, bei dem auf der Oberfläche des mikroporösen hydrophobischen Membransubstrats eine Plasmapolymerisat-Beschichtung aufgebracht wird, die die gewünschte Reduktion der Porengröße bewirkt. Es gibt drei Arten der Plasmapolymerisat- Beschichtung, wobei jede sich auf die drei Typen von Plasmapolymerisat-Beschichtungen bezieht.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Benutzung dieser mikroporösen Verbundmembranen mit reduzierter Porengröße zum Separieren, Konzentrieren oder Reinigen von Partikeln einer Größe von etwa 10 A aus Lösungen mit solchen Partikeln, sowie auf ein Separatoren-Modul, das solche Verbundmembranen mit reduzierter Porengröße anwendet. Solche Verbundmembranen haben dabei die Form von Hohlfasern, um solche Separationen durchzuführen. Handelt es sich bei den Partikeln um pflanzliche, mikrobische oder mammalische (mammalian cells = Säuretierzellen) Zellen, so kann das geschaffene Modul zum Züchten, Konzentrieren oder Reinigen solcher Zellen oder zellularen Komponenten herangzogen werden.

Die Herstellung von Trennmembranen verlangt derzeit die Bereitstellung von mikroporösen Trennmembranen, die genauen Spezifikationen wie ultrafeine Porengröße mit einer unteren Grenze von etwa 10 A genügen, Widerstandsfähigkeit gegen Verformungen durch Chemikalien, Druck und Hitze aufweisen und hydrophobische oder hydrophile Oberflächeneigenschaften haben. Die Suche nach solchen spezifischen Materialien für jeden einzelnen Separatoren-Zweck führte häufig zu aufwendigen und komplizierten Herstellverfahren.

Gemäß den Untersuchungen bei der vorliegenden Erfindung können durch Benutzung von hydrophobischen mikroporösen Membranen als Basissusbstrat und Anwendung von Plasmapolymerisations-Beschichtungsverfahren neue Ultrafiltrations-Membranen erzeugt werden, die die genauen Anforderungen erfüllen. Normalerweise haben solche hydrophobischen mikroporösen Membranen, wie sie als Basissubstrate zur Herstellung der neuen Ultrafiltrations-Membranen gemäß der Erfindung verwendet werden, große Poren im Bereich von 200 A bis 6000 A. Obwohl die derzeit verfügbaren Membranen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien, Wärme und Druck aufweisen, sind sie aufgrund ihrer einfacheren polymerischen Struktur im Vergleich zu konventionellen Ultrafiltrations-Membranen für solche Ultrafiltrations-Zwecke nicht geeignet wegen der Molekulargewichtsgrenze aufgrund ihrer nicht annehmbaren hohen Porengröße.

Durch Steuerung der Deposition eines Plasmapolymers kann die Porengröße solcher hydrophobischen mikroporösen Membranen von ihrer ursprünglichen Größe auf jede gewünschte kleinere Größe reduziert werden, bis zu einer unteren Grenze von etwa 10 A. Da die Plasmamerisat- Beschichtung extrem dünn ist (im Bereich von 1200 A oder weniger), behält das Membransubstrat seinen porösen Charakter, ohne daß dabei die Permeabilität von Flüssigkeiten und Gasen abnimmt, aber mit einer erhöhten Fähigkeit zum Trennen von ultrafeinen Partikeln aus einer Lösung.

Bisherige Plasmapolymerisierungs-Beschichtungsverfahren, wie sie bei der Herstellung von Verbundmembranen angewandt wurden, hatten gewisse inhärente Nachteile unabhängig von der Art des verwendeten Reaktorsystems (d. h. Reaktoren vom Glasglockentyp, Niederfrequenz-Tandemsystem, Hochfrequenz-Röhrenreaktoren mit induktiver Spulenkopplung). Diese Nachteile bestehen im allgemeinen darin, daß solche konventionellen Plasmapolymerisations-Verfahren das Ausbringen des Polymers auf ein Substrat unter solchen Bedingungen betraf, bei denen die Energiedichte des Plasmas und damit die Gleichmäßigkeit der Polymer-Beschichtung, nicht auf einfache Weise gesteuert werden konnten. Diese Nachteile können wie folgt zusammengesetzt werden:

1. Ungleichmäßigkeit der Plasmamerisations-Beschichtungsraten und der Plasmapolymerisations-Beschichtungszusammensetzung, in erster Linie abhängig von der Position des Substrates im Reaktor.
2. Niedrige Depositionsraten aufgrund niedriger Energiedichten führen zu sehr niedriger Produktivität bei der Herstellung von Membranen. Niedrige Energiedichten sind bei konventionellen Plasmareaktoren in Kauf zu nehmen, und zwar sowohl bei den Glasglocken- oder Hochfrequenz-Röhrentypen mit induktiv gekoppelter Spule, wie die Polymer-Beschichtung in der Nachglimmzone stattfindet, als auch bei der Niederfrequenztype, bei der die Polymer- Beschichtung in der Glimmzone stattfindet. Die niedrigen Beschichtungsraten in konventionellen Reaktoren kommen auch daher, daß sich Plasmaablagerungen auf den internen Elektroden ergeben.
3. Unmöglichkeit der gleichmäßigen und effektiven Beschichtung von Mehrfach-Membransubstraten aufgrund der gegenseitigen Abschattung der Plasmaglimmentladung und aufgrund der Tatsache, daß die Polymer- Beschichtungsraten in erster Linie von der genauen Position des Substrates im Reaktor abhängen.
4. Ungleichmäßigkeit in der Beschichtung um den Außenbereich des Membransubstrats, z. B. um den Umfang einer Faser.
5. Probleme aufgrund der unerwünschten Bildung von chemischen Mehrfachverbindungen und in der Unmöglichkeit, chemische Abfallprodukte effektiv zu entfernen.
6. Schwierigkeiten in der Steuerung aller dieser Plasmabeschichtungs-Reaktionsparameter, insbesondere bei der Einführung in eine kommerzielle Produktion.

Gemäß der Erfindung wurde unerwarteterweise festgestellt, daß die Benutzung eines Hochfrequenz-Röhrenreaktors mit kapazitiver Kopplung, insbesondere entsprechend dem Systembetrieb gesteuert, zu einer Plasmapolymerisat-Beschichtung führt, die außerordentlich zuverlässig abläuft, mit der eine hohe Produktivität bei hoher Gleichmäßigkeit des Produktes führt. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird das Plasmapolymer auf einem mikroporösen Membransubstrat aufgebracht, das durch die energieintensive Glimmzone im Bereich zwischen den Elektroden des Reaktors durchgeführt wird. Es ist allgemein bekannt, daß es extrem schwierig ist, eine Plasmabeschichtung von mikroporösen Membransubstraten durchzuführen aufgrund der Empfindlichkeit der Substrate gegenüber den angewandten Belastungen wie Temperatur, Druck, Spannung und chemischen Einflüssen. Gemäß der Erfindung wurde jedoch gefunden, daß unerwarteterweise mikroporöse Membransubstrate im Plasmaverfahren beschichtet werden können, wobei hohe Geschwindigkeiten, Effizienz und Gleichmäßigkeit erzielt werden können.

Die erfindungsgemäßen Lösungen sind in den Patentansprüchen im einzelnen definiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Separationsmodul, bei dem beide Enden offen sind;

Fig. 2 ein Separationsmodul, bei dem ein Ende offen ist;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Hochfrequenz- Plasmapolymerisations-Systems;

Fig. 4 ein Schnittbild eines Niederfrequenz-Plasmapolymerisations- Systems;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Depositionsrate für Polypropylen und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Depositionsrate für Polypropylen, dem Stickstoff beigemischt ist.

Die Erfindung schafft mikroporöse Verbundmembranen mit reduzierter Porengröße und spezifische hydrophobischen und hydrophilen Oberflächeneigenschaften sowie ein neues Verfahren zu deren Herstellung, bei dem eine Plasmapolymerisat-Beschichtung von speziell ausgesuchten Monomeren auf ein hydrophobisches mikroporöses Membransubstrat erfolgt.

Die hydrophobischen mikroporösen Membransubstrate, die die Basis für die mikroporösen Membranen gemäß der Erfindung mit reduzierter Porengröße bilden, können Polyolefine oder fluorinierte Polyolefine enthalten und dabei die Form von Filmen, Hohlfasern oder dergleichen aufweisen.

Die Plasmapolymerisat-Beschichtung bietet drei verschiedene Klassen von mikroporösen Membranen mit reduzierter Porengröße:

(i) das Aufbringen einer hydrophobischen Plasmamerisat- Beschichtung auf ein hydrophobisches mikroporöses Membransubstrat, wobei das Polymerisat von einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts abgeleitet wird.
(ii) das Aufbringen einer hydrophilen Plasmapolymerisat- Beschichtung auf ein hydrophobisches mikroporöses Membransubstrat, wobei die Polymerisation mit einem aliphatischen Aminmonomer niedrigen Molekulargewichts erfolgt.
(iii) das Aufbringen einer hydrophilen Plasmapolymerisat- Beschichtung auf ein hydrophobisches mikroporöses Membransubstrat, wobei die Polymerisation mit einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts und einem beigemischten nicht-polymerisierbaren Plasmagas erfolgt.

Ist das Substrat eine Hohlfaser so kann die Plasmapolymerisation in einem mit Niederfrequenz gespeisten Glasglocken-Reaktor (Bell Jar reactor) durchgeführt werden wie nachstehend beschrieben wird. Ist das Substrat ein flacher Film oder eine Hohlfaser, so kann die Plasmapolymerisation entweder mit einem durch Niederfrequenz gespeisten Glasglocken-Reaktor oder in einem mit Hochfrequenz gespeisten Röhrenreaktor durchgeführt werden, wie ebenfalls noch beschrieben werden wird.

Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Separation von Partikeln mit einer Größe von über 10 A aus deren Lösungen erfolgen, indem die erfindungsgemäßen Verbundmembranen mit reduzierter Porengröße in der Form von Hohlfasern in einem Separatoren- Modul verwendet werden, wie es in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 im einzelnen beschrieben wird. Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Module können auch als Umgebung zum Züchten, Konzentrieren und Reinigen von pflanzlichen, mammalischen und mikrobischen Zellen oder zellularen Produkten in deren Lösungen verwendet werden.

Ultrafiltrations-Membranen werden derzeit zum Separieren von Partikeln in der Größe von etwa 10 A aus deren Lösungen benötigt. Im Bereich der Biotechnologie z. B. sind solche Membranen erforderlich, um lebende Zellen in Nährlösungen in vitro zu züchten und um lebende Zellen, Mikroorganismen, Proteine usw. von deren Lösungen zu konzentrieren, zu reinigen und zu separieren. Die Reduktion der Porengröße in mikroporösen Membranen durch Benutzung der Plasmapolymerisat- Beschichtung gemäß der Erfindung ist außerordentlich nützlich zur Herstellung von maßgeschneiderten Ultrafiltrationsmembranen für solche Zwecke, bei denen bestimmte Oberflächeneigenschaften, d. h. hydrophobisches oder hydrophiles Verhalten, erforderlich sind sowie eine bestimmte Porengrößenverteilung und Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärme, Chemikalien und Druck.

Gemäß der Erfindung können drei verschiedene Klassen von mikroporösen Verbundmembranen mit reduzierter Porengröße nach diesen Bedingungen hergestellt werden:

(i) Eine hydrophobische Plasmapolymerisat-Beschichtung wird auf ein hydrophobisches mikroporöses Membransubstrat aufgebracht, wobei das Polymerisat von einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts abgeleitet wird, um eine mikroporöse Verbundmembran mit reduzierter Porengröße und hydrophobischen Oberflächeneigenschaften herzustellen.
(ii) Eine hydrophile Plasmapolymerisat-Beschichtung wird auf ein hydrophobisches mikroporöses Membransubstrat aufgebracht, wobei das Polymerisat von einem aliphatischen Aminmonomer niedrigen Molekulargewichts abgeleitet wird, um eine mikroporöse Verbundmembran mit reduzierter Porengröße und hydrophilen Oberflächeneigenschaften darzustellen.
(iii) Eine hydrophile Plasmapolymerisat-Beschichtung wird auf ein hydrophobisches mikroporöses Membransubstrat aufgebracht, wobei das Polymerisat von einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts und einem beigemischten nicht-polymerisierbaren Plasmagas abgeleitet wird, um eine mikroporöse Membran mit reduzierter Porengröße und hydrophilen Oberflächeneigenschaften darzustellen.

Die hydrophobischen mikroporösen Membranen, die als Substratmembranen für die vorliegende Erfindung verwendet werden können, sind bekannt und kommerziell erhältlich. Geeignete Substratmembranen können in der Form von Filmen, Hohlfasern oder dergleichen verwendet werden. Hohlfasern sind die gegenwärtig bevorzugten Formen, da in einem gegebenen Volumen eine größere Permeationsfläche darstellbar ist. Aus diesem Grunde werden in einer Separatoren-Anordnung, wie bei den Modulen gemäß der vorliegenden Erfindung, Hohlfasern als Separatoren-Membran angewandt und haben deshalb eine wesentlich kompaktere Form. Diese Substratmembranen können aus Polyolefinen wie Polyethylen und Polypropylen und aus fluoriniertem Polyolefin wie fluorioniertem Ethylenpropylen bestehen. Die gemäß der Erfindung verwendeten Substratmembranen weisen Porengrößen im Bereich von 200 A bis 6000 A auf. Die Poren haben verschiedene Formen je nach Art der Herstellung und sind im allgemeinen mund- oder kreisförmig. Sind die Poren nicht kreisförmig, so ist die kleine Achse der kleinsten Poren mindestens 2000 A und die große Achse der größten Poren maximal 6000 A. Geeignete Membransubstrate, die diese Anforderungen erfüllen, sind kommerziell erhältlich von der Firma Mitsubishi Rayon Co., Ltd., unter den Bezeichnungen KPF 190 M, 270 B und 360 A und HF 270 W, 270 T, 270 H, 410 C, 390 C und 390 A. Ebenso sind sie erhältlich von der Celanese Corp., unter den Bezeichnungen of CELGARD 2400, 2402, 2500, 2502, 4400, 4410, 4500, 4510, K-442, K-443, X-10 und X-20. Andere geeignete Polyolefinfilme und fluorinierte Polyolefinfilme sowie Hohlfasern können verwendet werden und sind im einzelnen in den US-Patenten 35 58 764, 36 79 538, 38 01 404, 38 01 692, 38 39 240, 38 39 516, 38 43 761, 39 20 785, 40 58 582, 41 38 549, 42 55 376, 42 57 997, 42 90 987, 44 05 688 beschrieben, die als Referenz in der vorliegenden Anmeldung eingeschlossen sind.

Die aliphatischen Hydrocarbonmonomere niedrigen Molekulargewichts, die als Zwischenprodukte zur Herstellung von Membranen mit reduzierter Porengröße gemäß den vorstehend erwähnten Schritten (i) und (iii) benutzt werden, können z. B. Alkane mit bis zu vier Kohlenstoffatomen wie Methan und Ethan benutzt werden, sowie Alkene mit bis zu vier Kohlenstoffatomen wie Ethylen, Propylen, 1-Buten und 2-Buten. Die aliphatischen Aminmonomere niedrigen Molekulargewichts, die bei der Herstellung von Membranen mit reduzierter Porengröße gemäß dem Verfahren (iii) benutzt werden können, sind z. B. Triethylamin oder Allylamin.

Als nicht-polymerisierbares Plasmagas, das einem Monomer gemäß dem Verfahren (iii) beigemischt wird, kann Stickstoff, Sauerstoff, Wasser oder Luft benutzt werden. Die Beimischung eines nicht-polymerisierbaren Plasmagases zum aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts als Zwischenprodukt verändert die Oberflächeneigenschaften der Plasmapolymerisat- Beschichtung von hydrophobisch nach hydrophil. Derzeit wird Stickstoff als bevorzugtes Gas benutzt.

Die derzeitige Plasmapolymerisation erfolgt in der Aktivierung eines Monomer-Zwischenprodukts innerhalb der Glimmzone zunm Aktivieren des Monomer-Zwischenproduktes in eine hoch-energiereiche, dissoziierte Form, die mit Radikalen, Elektronen und Ionen (d. h. Plasma) angereichert ist, und in der Aufbringung eines Plasmapolymers auf die Oberfläche des Substrats, das durch die Glimmzone bewegt wird. In der Praxis können zwei verschiedene Typen von Plasmareaktoren benutzt werden. Bei der Plasma-Beschichtung von Hohlfasern kann ein Niederfrequenz-Reaktor benutzt werden, in der die elektrische Entladung von einem Niederfrequenzgenerator den internen Elektroden eines direkt gekoppelten Glasglocken-Reaktors zugeführt wird. Bei der Plasmabeschichtung von Filmen oder Hohlfasern kann ein Hochfrequenzreaktor benutzt werden, bei dem die elektrische Entladung von einem Hochfrequenzgenerator den externen Elektroden eines kapazitiv gekoppelten Röhrenplasmareaktors zugeführt wird. Das Monomer-Zwischenprodukt allein entsprechend den Verfahren (i) oder (ii), oder mit beigemischtem nicht-polymerisierbaren Plasmagas gemäß Verfahren (iii), wird in den Reaktor eingegeben und im Plasma aktiviert. Durch sorgfältige Steuerung der Systemparameter wird das monomerische Plasma in der energiereichen Glimmzone zwischen den Elektroden aufrechterhalten. Das Monomer wird progressiv polymerisiert und bildet eine Plasmapolymer-Bescichtung auf der Oberfläche des mikroporösen Membransubstrats, das durch den Bereich der Glimmzone des Plasmareaktors bewegt wird.

Die Bewegung des Substrats durch den Bereich der Plasmaglimmzone ist natürlich sowohl durch die Ziehgeschwindigkeit als auch durch die Spannung auf das Substrat gesteuert. Da die Plasmaglimmzone die Region mit der höchsten Energiedichte im Plasmareaktor ist, müssen die Ziehgeschwindigkeit und die Zugspannung zusammen geregelt werden, damit das Substrat eine Verweilzeit in der Glimmzone hat, die ausreicht, um eine richtige Aufbringung des Plasmapolymers und damit die gewünschte Porengrößenreduktion zu erreichen und gleichzeitig jegliche Beschädigungen des Substrats aufgrund der Intensität der Glimmzone zu verhindern. Zur gleichen Zeit müssen die Ziehgeschwindigkeit und die Spannung so reguliert werden, daß das Substrat keine der Wände des Reaktors oder andere Substrate berührt, wenn eine Mehrzahl von Substraten gleichzeitig beschichtet wird.

Bei früheren Untersuchungen wurde es insbesondere vermieden, das Beschichten von polymeren Substraten im Bereich der Plasmaglimmzone bei induktiver Hochfrequenzankopplung durchzuführen, da dies zu unkontrollierbaren Beschädigungen des Substrats geführt hat, so daß die Beschichtung also neben und außerhalb der Glimmzone durchgeführt wurde. Bei Plasmabeschichtungen in Niederfrequenz-Plasmareaktoren weisen die Elektroden einen großen Abstand voneinander auf, was zu niedrigen Beschichtungsraten führt, da die Energiedichte in der Glimmzone durch Verteilung über einen größeren Bereich niedrig ist. Außerdem fiel die Wirksamkeit von internen Elektroden in früheren Systemen im Laufe der Zeit ab, da auf den Elektroden eine Plasmapolymer-Beschichtung erfolgte. Durch enge Steurung der spezifischen Variablen wird gemäß der Erfindung eine genau kontrollierbare und völlig reproduzierbare Beschichtung von mikroporösen Membransubstraten ermöglicht, wobei die Porengrößenreduzierung auf spezielle gewünschte Größenverhältnisse möglich ist.

Ein geeignetes Hochfrequenz-Plasmareaktorsystem für die kontinuierliche Herstellung von mikroporösen Mikrofiltrations-Membranen mit reduzierter Porengröße in der Form von Filmen oder Hohlfasern gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.

Der Hochfrequenz-Plasmareaktor ist ein Röhrenreaktor 36 mit einem Paar von kapazitiv gekoppelten externen Elektroden 31, die an den beiden Enden des Reaktors 36 angeordnet und mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden sind. Die höchste Energiedichte wird im Bereich zwischen den Elektroden 31 erzielt, d. h. der Plasmaglimmzone, in dem sowohl der Strom des Hochfrequenzgenerators als auch die Monomer-Flußrate geregelt werden. Ist die Monomer-Flußrate zu hoch, so breitet sich die Glimmzone bis in den Bereich außerhalb der Elektroden aus. Ist die Monomer-Flußrate zu gering, so wird das Plasma nicht zünden, oder es füllt nicht den gesamten Bereich zwischen den Elektroden aus. Die beiden Kammern 35 a und 35 b sind Vakuumkammern, die mit dem Reaktor 36 in durchgehender, vakuumdichtender Beziehung verbunden sind, während ein Auslaß 38 mit einer Vakuumpumpe in Verbindung steht. Der Reaktor 36 kann aus beliebigem Material mit ausreichender Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Plasma bestehen. Derzeit hat sich Quarz, PYREX^TM und VYCOR^TM als zweckmäßig erwiesen. Im Betrieb wird die Hohlfaser 32 kontinuierlich durch den Reaktor 36 geführt, und zwar von der Vorratsspule 33 auf die Aufwickelspule 34. Das gewünschte Monomer, mit vorher beigemischtem, nicht-polymerisierbaren Gas, falls erforderlich, wird dem System durch den Zuführeinlaß 37 zugeleitet. Die Plasmapolymerbeschichtung findet auf der Substratmembran statt, die durch den Bereich der Plasmaglimmzone zwischen den Elektroden 31 geleitet wird.

Ein geeignetes System zur kontinuierlichen Produktion einer Hohlfasermembran in einem Niederfrequenz-Plasmareaktor ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Der Niederfrequenz-Plasmareaktor ist ein Glasglocken- Reaktor 41 mit einem Paar von flachen Plattenelektroden 42, die parallel zueinander angeordnet und über Hochspannungskabel direkt an einen externen Niederfrequenzleistungsverstärker angeschlossen sind. Sowohl der Strom des Generators als auch die Monomer-Flußrate werden beide geregelt, um die größte Energiedichte im Bereich zwischen den Elektroden 42, d. h. der Plasmaglimmzone, aufrechtzuerhalten. Der Glasglocken-Reaktor 41 ist eine Vakuumkammer und weist einen Auslaß 47 zu einer Vakuumpumpe auf. Im Betrieb wird eine Hohlfaser oder ein flacher Film 43 kontinuierlich durch die Plasmaglimmzone im Bereich zwischen den Elektroden 42 geführt, und zwar von der Vorratsspule 44 zur Aufwickelspule 45. Es ist klar, daß die Bewegungsrichtung des Substrats zwischen den Elektroden in der einen oder anderen Richtung erfolgen kann, d. h., die Funktionen der Spulen 44 und 45 können vertauscht werden. Das Monomer, dem zusätzlich ein nicht-polymerisierbares Formgas beigemischt werden kann, wird dem System über den Zuführeinlaß 46 zugeleitet. Bei der Herstellung einer Hohlfaser gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Hochfrequenz- Reaktorsystem, das in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde, derzeit bevorzugt wegen seiner hohen Wirksamkeit bei der kontinuierlichen Produktion.

Es ist wichtig, die Verweilzeit in der Plasmaglimmzone zu minimieren und das Substrat so kühl wie möglich zu halten (d. h. nahe der umgebenden Raumtemperatur), um eine Beschädigung des temperaturempfindlichen Substrats zu vermeiden. Um die gewünschte Stärke der Plasmapolymer-Beschichtung zu erreichen, kann das Substrat mehrere Male durch die Glimmzone bewegt werden. Es kann ein System vorgesehen sein, bei dem die Bewegungsrichtung des Substrats umgekehrt wird, so daß eine kontinuierliche Länge des Substrats durch die Glimmzone mehrere Male geführt werden kann, um die gewünschte Plasmapolymer-Beschichtung zu erzielen. Die Flußrichtung des Monomers kann entweder in der gleichen oder in der entgegengesetzten Richtug zur Bewegung des Substrats durch die Glimmzone gewählt werden.

Die in der Glimmzone des Plasmageneratorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung erzielten Energiedichten sind wesentlich höher als diejenigen, die mit konventionellen Plasmareaktoren erzielt wurden. Dies bedeutet, daß die Einwirkungslänge im Bezug auf die Plasmaglimmzone minimiert werden muß, um eine Beschädigung des Membransubstrats zu vermeiden. Zum Beispiel muß ein Polyolefin-Substrat durch die Plasmaglimmzone normalerweise mit einer Geschwindigkeit von 0,7 cm/sek. für jeden Durchgang bewegt werden. Durch mehrfaches Durchführen des Substrats durch die Glimmzone können dickere Beschichtungen erzielt werden, falls erforderlich. Die Verweilzeit innerhalb der Plasmaglimmzone schwankt natürlich abhängig von dem gerade verwendeten Substrat. Bei einem temperaturresistenteren Substrat ist es möglich, die Einwirkzeit länger auszulegen, um die gewünschte Plasmapolymer-Beschichtung zu erzielen.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt ein einfaches Aufbringen der gewünschten Plasmapolymer- Beschichtung auf ebene Oberflächen wie Filme, auf Umfangsflächen oder gewundene Flächen wie Hohlfasern oder unebene Membransubstrate und auf eine Mehrzahl von Substraten wie z. B. Filme oder Hohlfasern, die gleichzeitig durch die Plasmaglimmzone bewegt werden. Dies kommt daher, da in dem vorliegenden System die Plasmaglimmzone mit einer gleichmäßigen Dichte durch den Querschnittsbereich des röhrenförmigen Reaktors aufrechterhalten werden kann. Bei konventionellen Plasmareaktoren, auch bei solchen, die eine Plasmabeschichtung auf einem Substrat innerhalb der Glimmzone ermöglichen (z. B. Niederfrequenz-Tandemsysteme), kann die Glimmzone nicht bei hoher Energiedichte aufrechterhalten werden. Außerdem werden intern angeordnete Elektroden bei konventionellen Niederfrequenz- oder Hochfrequenz- Reaktorsystemen nach einiger Zeit mit Plasmapolymer überzogen, was die Energiedichte innerhalb der Glimmzone weiter reduziert. In Plasmareaktoren, in denen die Beschichtung in der Nachglimmzone erfolgt (z. B. in Glasglocken- und Hochfrequenz-Röhrenreaktoren mit induktiver Spulenkopplung), erniedrigt sich die Dichte des Plasmas und somit die Polymer-Beschichtungsrate mit dem Abstand von der Plasmaglimmentladung, und die Gasflußmuster werden unkontrollierbar. Außerdem muß in konventionellen Plasmareaktoren das Substrat an bestimmter Stelle positioniert werden, z. B. auf der Elektrode oder auf der Wand des Reaktors. Es ist bekannt, daß bei solchen konventionellen Systemen die Zusammensetzung und Gleichmäßigkeit des aufgebrachten Plasmapolymers mit der Position des Substrats gegenüber der Plasmaglimmentladung variiert. Sollen also Mehrfach-Substrate gleichzeitig mit Plasmapolymer beschichtet werden, so schwankt die Zusammensetzung und Gleichmäßigkeit des Plasmapolymers abhängig von der Position des einzelnen Substrats gegenüber der Glimmzone. Soll eine bestimmte Plasmapolymer-Beschichtung auf einem bestimmten Substrat reproduziert werden, so muß das Substrat sorgfältig genau in der gleichen Position innerhalb des Reaktors angeordnet werden. Beim vorliegenden System sind Qualität und Gleichmäßigkeit des Produktes jedes Durchlaufs und auch bei mehreren Durchläufen garantiert aufgrund der gleichmäßigen Verteilung innerhalb der Glimmzone und aufgrund der Möglichkeit, eine hohe Energiedichte innerhalb der Glimmzone aufrechtzuerhalten.

Die auf das Substrat beim Bewegen durch die Plasmaglimmzone ausgeübte Spannung muß so niedrig wie möglich gehalten werden, um die ursprüngliche Form und Zugfestigkeit der Substratmembran aufrechtzuerhalten, wobei jedoch ein ausreichender Abstand zwischen mehreren Substraten bzw. Mehrfach-Substraten gehalten werden muß, damit das Substrat die Wände des Reaktors nicht berührt. Aufgrund der Intensität der Plasmaglimmzone des vorliegenden Systems ist die Plasmapolymer- Beschichtungsrate wesentlich höher als es bei bisher bekannten Plasmareaktorsystem möglich war. Die Plasmapolymer-Beschichtung wird zwischen den Elektroden kontrolliert, und eine Nachglimm-Beschichtung wird auf einem Minimum gehalten. Dies wird in den graphischen Darstellungen nach den Fig. 5 und 6 deutlich gezeigt. Fig. 5 zeigt eine Darstellung, in der ein Monomer von Propylen mit einer Flußrate von 9,79 sccm angewandt wird, bei einer Entladungsleistung von 20 W. Hier liegt ein ebenes Plateau der Beschichtungsrate im Bereich zwischen den Elektroden, d. h. der Glimmzone, für eine normalisierte Beschichtungsrate von 32 A/sec. In Fig. 6 zeigt eine Darstellung mit einem Monomer von Propylen bei einer Flußrate von 9,79 sccm, mit beigemischtem Stickstoff bei einer Flußrate von 6,70 sccm und einer Entladungsleistung von 20 W, wobei ein ebenes Plateau der Beschichtungsrate in der Glimmzone erzielt wird, und zwar für eine normalisierte Beschichtungsrate von 30 A/sec. Diese Beschichtungsraten wurden auf Glasröhrchen gemessen, die innerhalb der Plasmaglimmzone angeordnet wurden. Ein stationäres Substrat, wie diese Glasröhre, heizt sich in der energieintensiven Glimmzone auf und wird keine Plasmapolymer-Beschichtung annehmen; dies gilt auch für ein kühleres, kontinuierlich bewegtes Substrat. Durch Benutzung eines bewegten mikroporösen Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung werden Beschichtungsraten erzielt, die etwa 2,5 mal höher liegen.

Der geeignete Abstand zwischen den Elektroden in dem Hochfrequenz-Reaktor hängt von der Größe der Röhre ab. In dem in Fig. 3 dargestelltem System befinden sich die Elektroden etwa im Abstand von 10 bis 15 cm, und die Röhre hat einen Durchmesser von 13 mm. Bei Röhren mit größerem Durchmesser sollte die der Plasmaglimmzone zugeordnete Energiedichte so nah wie möglich im Bereich der Werte eines Reaktors mit kleinerer Röhre gehalten werden. Zusammen mit der Energiedichte ist es außerordentlich wichtig, die Monomer-Dichte zu kontrollieren. Obwohl die Monomer-Dichte im allgemeinen die gleiche bleibt auch bei Änderungen der Röhrengrößem so ergeben sich einige Änderungen im Optimum sowohl bei der Energiedichte als auch bei der Monomer-Dichte abhängig bei Veränderungen der Systemgröße und der Form.

Aufgrund der extrem hohen Energiedichten innerhalb der Plasmaglimmzone muß die Temperatur des durch die Plasmaglimmzone durchbewegten Substrats so niedrig wie möglich gehalten werden (nahe bei der umgebenden Raumtemperatur), um eine gleichmäßige Plasmapolymer- Beschichtungsrate zu gewährleisten und eine Verformung und Beschädigung des Substrats zu vermeiden. Unter normalen Arbeitsbedingungen kann eine geringfügige Ablagerung von Plasmapolymer auf den Wänden des Reaktors beobachtet werden. Dies wird normalerweise berücksichtigt, beeinflußt die Prozeßbedingungen nicht nachteilig, und solche Ablagerungen werden bei der normalen Routinewartung entfernt. Dadurch, daß das Substrat so kalt wie möglich gehalten wird, wird das Plasmapolymer dazu gebracht, sich auf dem Membransubstrat niederzuschlagen und nicht an den Wänden des Reaktors. Es kann auch eine zusätzliche Kühlung des Substrats bis unterhalb Raumtemperatur erfolgen, falls erwünscht, in der Erwartung, daß die Verweilzeit in der Glimmzone erhöht werden kann, so daß das Plasmapolymer noch weiter dazu gebracht wird, sich auf dem Membransubstrat niederzuschlagen.

Ein nützlicher Richtwert bei der Bestimmung der Änderungen der Reaktorparameter bei Veränderungen der Röhrengeometrie in Hochfrequenz-Systemen ist der zusammengesetzte Plasma-Parameter, W/FM, wobei W die Entladungsleitung, F die Flußrate des Monomers, mit beigemischtem nicht-polymerisierbarem Plasmagas falls erforderlich, und M das Molekulargewicht des Monomers, mit beigemischtem nicht-polymerisierbarem Plasmagas falls gewünscht, ist. Mit der Veränderung der Röhrengeometrie und der Systemgröße ändert sich W/FM für eine gegebene Plasmapolymer-Beschichtungsrate, der optimale Wert W/FM wird sich für ein gegebenes Monomer-System jedoch nicht wesentlich ändern. Deshalb können für ein gegebenes Monomer-System die Veränderungen im zusammengesetzten Plasmaparameter abhängig von der Röhrengeometrie wie folgt ausgedrückt werden:

W₁/F₁M₁≃W₂/F₂M₂

Hierbei ist W₁/F₁M₁ der zusammengesetzte Plasmaparameter für einen ersten röhrenförmigen Hochfrequenzreaktor wie beschrieben, während W₂/F₂M₂ der zusammengesetzte Plasmaparameter für einen röhrenförmigen Hochfrequenzreaktor von anderer Größe und wie hierin beschrieben, ist.

Die Vorteile des vorliegenden Hochfrequenz-Plasmapolymerisations- Reaktors mit kapazitiver Kopplung gegenüber konventionellen Plasmapolymerisations-Reaktoren sind wie folgt aufgezählt:

1. Die Möglichkeit sowohl individuelle als auch Mehrfachsubstrate durchgehend gleichmäßig in der Stärke und chemischen Zusammensetzung des Plasmapolymers zu beschichten.
2. Die Möglichkeit, hohe Energiedichten und hohe Beschichtungsraten mit einem Minimum an Verweilzeit für das Substrat in der energiereichen Plasmaglimmzone zu kombinieren.
3. Die Möglichkeit, eine engere Häufigkeit von chemischen Spezies innerhalb der Plasmaglimmzone zu erzeugen, als es bei konventionellen Plasmareaktoren möglich war, wie durch die gleichmäßigen Eigenschaften der erzielten Plasmapolymer-Beschichtungen belegt wird.
4. Die Möglichkeit, von Abfallprodukte (d. h. nicht-reagierten Monomeren und potentiell schädigenden Ätzgasen) aus der Glimmzone des röhrenförmigen Reaktors in kontinuierlicher Weise zu entfernen, so daß ihre Anwesenheit nur wenig stört. Dies kommt daher, daß die Monomerflußrate höher ist als die Geschwindigkeit des Substrats, wodurch die Abfallprodukte abgeführt werden können. Da das Plasmapolymer fast ausschließlich in der Plasmaglimmzone aufgebracht wird, ist es beim Bewegen des Substrates in die Nachglimmzone des Reaktors bereits durch die niedergeschlagene Plasmapolymer-Schicht geschützt, so daß eine sonst mögliche Beschädigung durch diese Abfallprodukte verhindert wird. Bei einem System mit umkehrbarer Bewegungsrichtung zur Ermöglichung eines wiederholten Durchlaufs einer kontinuierlichen Länge des Substrates durch die Glimmzone verhindert die Geschwindigkeit des Momomer-Gasflusses, daß Abfallprodukte, die in der Nachglimmzone entstehen, eine Beschädigung irgendwelcher Bereiche des Substrates, die noch nicht beschichtet sind.
5. Weitere Vorteile betreffen die Möglichkeit der Herstellung von Verbundmembranen in einem kontinuierlichen Prozeß bei Geschwindigkeiten, die für eine kommerzielle Produktion akzeptabel sind, und die Möglichkeit der Plasmabeschichtung von empfindlichen Substraten wie Polyolefine, die bei konventionellen Plasmareaktor-Bedingungen sich nicht als Membransubstrate anbieten.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Separatoren-Moduls mit beiderseits offenen Enden, mit dem mikroporöse Mikrofiltrations-Hohlfasern gemäß der Erfindung mit reduzierter Porengröße hergestellt werden können. Eine Mehrzahl von Hohlfasern 11 wird vorzugsweise in jeder Moduleinheit benutzt. Die Hohlfasern werden in die Moduleinheit eingesetzt, die aus Glas oder einem anderen geeigneten inerten Material besteht. Die Enden der Hohlfasern sind in jeder beiden Endkappen 12 der Moduleinheit befestigt, so daß ein flüssiges Medium, das in den Einlaß 14 a der Moduleinheit fließt, durch die Hohlfasern 11 durchfließt und um diese herumfließt. Das Permeat wird durch die Auslässe 13 gesammelt und konzentrierte Partikel werden über den Auslaß 14 b abgezogen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Separatoren-Moduls mit einem offenen Ende, das mit mikroporösen Hohlfasern mit reduzierter Porengröße gemäß der Erfindung arbeitet. Eine Mehrzahl von Hohlfasern 21 wird vorzugsweise in jeder Modulationseinheit benutzt. Die Hohlfasern sind in die Modulschale eingesetzt, die aus Glas oder irgendeinem anderen geeigneten inerten Material besteht. Die Enden der Hohlfasern sind innerhalb der Endkappe 22 der Moduleinheit befestigt, so daß ein flüssiges Medium, das in den Einlaß 24 a der Moduleinheit einfließt, die Hohlfasern 21 durchfließt und um diese herumfließt. Das Permeat kann durch den Auslaß 23 gesammelt und die konzentrierten Partikel können durch den Auslaß 14 b abgezogen werden. Andere geeignete Separatoren- Module gemäß der Erfindung, die die mikroporösen Hohlfasern mit reduzierter Porengröße gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten können, sind in den US-Patenten 38 21 087, 38 83 393 und 41 84 922 im einzelnen beschrieben, die hierdurch als Referenz eingeführt werden.

Der Fachmann wird erkennen, daß die Art und Weise, in der die mikroporösen Membranen mit reduzierter Porengröße gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Ultrafiltration benutzt werden, lediglich eine Frage der Auswahl und Zweckmäßigkeit ist. Der Einsatz ist nicht auf spezielle Apparate, wie hier beschrieben, beschränkt, sondern kann bei der Ultrafiltrations- Separation in beliebiger Weise erfolgen.

Wenn die Partikel in wäßrigen oder geeigneten Lösungssystemen pflanzliche, mikrobische oder mammalische Zellen (Säugetier-Zellen) sind, so bieten die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Module eine Umgebung für das Wachsen von solchen züchtbaren Zellen in vitro, und die Module bilden auch ein Separator-System zum Reinigen oder Konzentrieren solcher Zellen oder zellularen Produkten. Werden die Module nach den Fig. 1 und 2 für eine Umgebung zum Wachsen in vitro benutzt, so wird es den Zellen, die in einem wäßrigen oder mit einem geeigneten Lösungsmittel ausgestatteten Nährstoff-Medium suspendiert sind, ermöglicht, sich anfangs auf der äußeren Oberfläche der Hohlfasern niederzuschlagen, durch die das mit Sauerstoff angereicherte Nährstoff-Medium kontinuierlich fließt. Nährstoff-Substanzen gelangen von dem durchtränkten Medium durch die Hohlfaserwand in die Zelle, während die Zellprodukte durch die Hohlfaserwand in das Perfusat gelangen. Diese Produkte können durch geeignete Mittel wiedergewonnen werden. Gemäß der Erfindung kann ein System aufgebaut werden, das zumindest eine solche Züchtungseinheit ermöglicht, zusammen mit einem Reservoir für das Nährstoff- Medium, einem Gasaustauscher, einem pH-Meter und einer Pumpe zur Erzeugung von kontrollierten Flußraten des Perfusates. Vorteilhafte Konzentrationsgradienten ermöglichen es den Nährstoffen, durch die Wände der Hohlfasern in die Zellen zu diffundieren, während die Produkte daraus in das Perfusat diffundieren. Ein Merkmal dieser Module zusätzlich zu dem Wachsen der Zellen betrifft die Wiedergewinnung der Zuchtprodukte von den Zellen, die auf den Hohlfasern aufwachsen, während die Kultur selbst ungestört verbleibt. Beispiele für solche Produkte sind Hormone, Proteine und andere biologische Substanzen, die in der Vergangenheit von lebendem Gewebe oder Ausscheidungsprodukten durch Standardtechniken gewonnen wurden. Werden die gegenwärtigen Module, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, für die Reinigung oder Konzentration von Zellen benutzt, so ist die Arbeitsweise genauso wie sie vorstehend in Verbindung mit anderen Arten von Separations-Verfahren beschrieben wurde. Die Module können auch zur Filterung von Pyrogenen und Viren aus sie enthaltenden Flüssigkeiten benutzt werden. Aufgrund der reduzierten Porengröße der Hohlfasern, die in diesen Modulen benutzt werden, sind sie für das Züchten, Reinigen und Konzentrieren von pflanzlichen, mikrobischen und mammalischen (mammalian) Zellen und Mikroorganismen sowie zellularen Produkten geeignet. Weitere Angaben solcher und anderer Module, die für die Züchtung, Reinigung und Konzentration von Zellen geeignet sind, sind den US-Patenten 38 21 087, 38 83 393 und 41 84 922 zu entnehmen, die hiermit in diese Anmeldung als Referenz eingeführt werden. Diese Module können außerdem als bio-katalytische Reaktoren benutzt werden, in denen Zellen und Enzyme auf der Oberfläche der Hohlfasern festgesetzt werden. Nährstoffe, Chemikalien und Aminosäuren oder Proteine werden dann in die Module eingeleitet, fließen durch die Hohlfasern durch und um diese herum, und kommen mit den festgesetzten Zellen und Enzymen in Kontakt. Die Reaktion mit den Zellen und Enzymen führt zu Spezial-Chemikalien, komplexeren Aminosäuren und anderen zellularen Produkten für den bio-therapeutischen Gebrauch.

Präparation

Mikroporöse Hohlfasern aus Polypropylen mit einem inneren Durchmesser von 240 µm, einer Wandstärke von 24,5 µm und Porösitäten von 20 und 40% wurden als Substrate benutzt.

Die Plasmapolymerisations-Beschichtung wurde entsprechend den nachfolgend aufgeführten Bedingungen durchgeführt:

(a) Monomer:Propylen 9,8 sccm Entladungsleistung:40 Watt, Niederfrequenzgenerator (5,0 kHz) Systemdruck:220 mtorr Ziehgeschwindigkeit:variabel (b) Monomer:Polypropylen 5,7 sccm Entladungsleistung:10 bis 15 Watt, Hochfrequenzgenerator (13,56 MHz) Systemdruck:P (Einlaß): 190 mtorr, P (Auslaß): 100 mtorr Ziehgeschwindigkeit:2,0 bis 6,5 cm/sek (c) Monomer:5,7 sccm + Stickstoff 0,57 bis 1,0 sccm Entladungsleistung:10 bis 15 Watt, Hochfrequenzgenerator (13,56 MHz) Systemdruck:P (Einlaß): 220 mtorr, P (Auslaß): 120 mtorr Ziehgeschwindigkeit:2,0 bis 6,5 cm/sek

Die Ziehgeschwindigkeit bestimmt die Verweilzeit der Faser in der Plasmaglimmentladung, wobei die Elektroden typischerweise im Abstand von 15 cm voneinander in einem röhrenförmigen Reaktor von 13 mm Durchmesser angeordnet sind. Die Plasmapolymerisat-Beschichtung erfolgt unter Anwendung eines dreimaligen Durchlaufes der Faser durch den Plasmaglimmbereich. Somit ist die effektive Gesamtdistanz des Verweilens 45 cm.

Beispiel I

Eine mikroporöse Hohlfaser wurde durch Plasmapolymerisation entsprechend den Bedingungen (a) des Präparationsabschnites beschichtet, wie in Tabelle I dargestellt. Durch diese Präparation wurden drei Schichtdicken erzielt, nämlich 400, 800 und 1200 A (Angström). Die Zugspannungsdaten sind in Tabelle II angegeben. Aufgrund der festen Struktur der Plasma-Schicht erniedrigte sich der Verlängerungsfaktor. Diese feste Struktur der Plasmapolymerisations- Beschichtung gibt der porösen Struktur der Membran die entsprechende Festigkeit, so daß eine Deformation der Poren durch mechanischen Druck oder chemische Faktoren verhindert wird und sich eine langzeitige Stabilität ergibt. Die Bruchfestigkeit wurde auf einem Maximalabfall von 20% gehalten.

Eine mit 1200 A beschichtete Hohlfaser enthielt 90% Ei-Albumin (MW 45 000, Eastman Kodak Co., Rochester, NY) in einer Kaliumphosphat-Pufferlösung (pH 6,86), mit einer Permeationsrate, Ps, von 8×10^-4 cm³/cm²min. Die Proteinkonzentrationen wurden durch Flüssigkeitschromatographie bestimmt (Detektor: UV 214 nm, Spalte: TSK G 2000 SW, Toyo Soda Co., Japan).

Tabelle I

Hohlfaserbeschichtet im Niederfrequenz-Reaktor

Tabelle II

Zugspannungsdaten für beschichtete Hohlfaser-Membranen

Beispiel II

Hohlfaser-Membranen mit reduzierter Porengröße wurden durch Plasmapolymerisation-Beschichtung entsprechend den Bedingungen (b) und (c) im Präparationsabschnitt hergestellt, wie in Tabelle III gezeigt. Die gewünschten Beschichtungsstärken wurden durch Steuerung der Verweilzeit in der Plasmaglimmregion erhalten. Es wurden Membranen mit Plasmapolymerisations-Schichtdicken von 400 A bis 1000 A hergestellt. Acht Separatoren- Module wurde unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Hohlfasermembranen hergestellt, von denen jede etwa 800 Hohlfasern mit einer gesamten Fläche von 1000 cm² aufweist. Die Hohlfasern im Modul 395 wurden entsprechend der Bedingung (b) erzeugt, während andere entsprechend der Bedingung (c) hergestellt wurden. Die Eigenschaften der Ultrafiltrations- Membranen wurden für diese Module ausgewertet.

Die Permeationsraten sind in Tabelle IVa gezeigt, während die Tabelle IVb die Grenzen für das Molekulargewicht zeigt. Die Membraneigenschaften veränderten sich entsprechend der Plasmapolymerisation- Beschichtungsbedingung, der Beschichtungsstärke und der Porosität des ursprünglichen mikroporösen Substrates. Der Einfluß der Plasmapolymerisation-Beschichtungsstärke wird klar in den Serien 400, 401, 413, 402 und 403 demonstriert. Eine dünnere Beschichtung mit Plasmapolymerisat gibt den Membranen höhere Wasser- und Lösungs-Permeationsraten, Pw und Ps, während dickere Beschichtungen eine höhere Retention für gelöste Proteinstoffe ergibt, wie Bovinalbumin (MW 67 000) und Myoglobin (MW 17 800).

Der Einfluß der Oberflächenmodifikation zu Erzielung einer Membran reduzierter Porengröße mit hydrophiler Oberfläche wurde durchgeführt unter Benutzung eines Plasmagases mit 9 bis 14% Stickstoff, und die dabei hergestellten Hohlfasern wurde in Module 402 und 400 eingebaut. Die Module 400 und 402 hatten höhere Wasser- und Lösungs-Permeationsraten im Vergleich zum Modul 395, während sie eine höhere Protein-Retention beibehielten. Die Module 422 und 419 wurden unter Benutzung eines mikroporösen Substrates mit 40% Porösität hergestellt. Die Module 422 und 419 zeigten höhere Wasser- und Lösungs-Permeationsraten im Vergleich zum Modul 395. Diese Resultate zeigen, daß sowohl reduzierte Porengröße als auch Modifikation der Membranoberflächen in Richtung hydrophilen Verhaltens durch die Plasmapolymerisationsbehandlung erreicht wurden.

Tabelle III

Hohlfasern, beschichtet im Hochfrequenzreaktor

Tabelle IVa

Permeationsraten

Tabelle IVb

Grenze des Molekulargewichtes

Beispiel III

Unter Benutzung der Module 400, 401 und 419, die eine Protein (Bovinalbumin)-Retention von 100,0, 97,6 und 92,0% zeigten, wurde das Diffusionsverhalten analysiert. Als Apparatur wurde die Anordnung nach Fig. 4 benutzt.

Der Differenzdruck des außerkapillaren Raumes gegenüber den Hohlfasern auf der Innenseite betrug 0 psi und 1 psi. Die Lösung in dem außerkapillaren Raum war 5% Bovinalbumin in einer wäßrigen NaCl-Lösung von 0,9%. Die Lösung innerhalb der Hohlfaser bestand aus einer wäßrigen NaCl-Lösung von 0,9%. Die Experimente wurden bei 37°C durchgeführt.

Das Diffusionsverhalten wurde bei einem Differenzdruck von 0 psi analysiert, und die Resultate sind in Tabelle V zusammengefaßt.

Das Modul 400 zeigte Lösstoff-Permeation für acht Stunden nachdem das Diffusionsexperiment gestartet wurde. Nach 28 Stunden behielt das Modul eine hohe Protein-Retention von 99,7%.

Das Modul 401 zeigte eine Lösstoff-Permeation von 4,4×10^-3 g/h bei Beginn des Experimentes. Nach 51,5 Stunden fiel die Lösstoff-Permeationsrate auf 2,2×10^-3 g/h. Dieses Modul behielt eine hohe Protein-Retention von 95,6%.

Das Modul 419 zeigte eine Lösstoff-Permeation von 5,9×10^-3 g/h bei Beginn des Experimentes. Nach 21,5 Stunden ergab sich eine Lösstoff-Permeationsrate von 4,8×10^-3 g/h. Das Modul behielt eine hohe Protein-Retention von 87,3%.

Die Diffusionsanalyse wurde ebefalls unter der Bedingung eines Differenzdruckes von 1 psi durchgeführt, und die Resultate sind in Tabelle VI zusammengefaßt.

Das Modul 400 zeigte 99,3% Retention und eine Lösstoff-Permeation von 1,1×10^-3 g/h nach 26 Stunden.

Das Modul 401 zeigte 99,5% Retention und 3,3×10^-3 g/h Lösstoff-Permeation nach 8,1 Stunden.

Tabelle V

Diffusionsanalyse

(Differenzdruck =0 psi

Tabelle VI

Diffusionsanalyse

(Differenzdruck =1 psi

Claims

1. Mikroporöse Ultrafiltrations-Verbundmembran mit reduzierter Porengröße, mit einem hydrophobischen mikroporösen Substrat und einer Plasmapolymerisat-Beschichtung auf einer Oberfläche des Substrats, wobei die Plasmapolymerisat-Beschichtung die Porengröße des mikroporösen Substrats auf eine Größe reduziert, die kleiner als die ursprüngliche Porengröße aber nicht kleiner als etwa 10 A ist, während der Körper des Substrats dabei etwa die ursprünglichen Eigenschaften des Substrats in Bezug auf mechanische Festigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit beibehält.

2. Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophobische Eigenschaften gibt.

3. Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Aminmonomer niedrigen Molekulargewichts erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophile Eigenschaften gibt.

4. Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedigen Molekulargewichts und einem beigemischten nicht-polymerisierbaren Plasmagas erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophile Eigenschaften gibt.

5. Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Filmen oder Hohlfasern mit Porengrößen im Bereich von 200 A bis 6000 A ausgewählt wird.

6. Verbundmembran nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Polyolefin oder fluoriniertes Polyolefin enthält.

7. Verbundmembran nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Polypropylen, Polyethylen oder fluoriniertem Ethylenpropylen besteht.

8. Verbundmembran nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aliphatische Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts Methan, Ethan, Ethylen, Propylen, 1-Buten oder 2-Buten ist.

9. Verbundmembran nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aliphatische Aminmonomer niedrigen Molekulargewichts Triethylamin oder Allylamin ist.

10. Verbundmembran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aliphatische Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts Methan, Ethan, Ethylen, Propylen, 1-Buten oder 2-Buten, und das nicht-polymerisierbare Plasmagas Stickstoff, Sauerstoff oder Wasser ist.

11. Verbundmembran nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-polymerisierbare Plasmagas Stickstoff ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer mikroporösen Ultrafiltrations-Verbundmembran mit reduzierter Porengröße nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfrequenzentladung kapazitiv an externe Elektroden eines röhrenförmigen Plasmareaktors gekoppelt wird;
daß ein Monomer, ggf. mit beigemischtem nicht-polymerisierbaren Plasmagas, in den Reaktor eingeleitet wird, um das Monomer in dem Plasma innerhalb der Glimmzone zwischen den Elektroden des Reaktors zu aktivieren und eine Plasmapolymerisat-Beschichtung auf die Oberfläche des hydrophobischen mikroporösen Substrats aufzubringen, das durch die Glimmzone bewegt wird;
daß die Plasmapolymerisat-Beschichtung die Porengröße des hydrophobischen mikroporösen Substrats auf eine Größe kleiner als die ursprüngliche Porengröße aber nicht kleiner als 10 A reduziert, während der Körper des Substrats dabei etwa die ursprünglichen Eigenschaften des Substrats in Bezug auf mechanische Festigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit beibehält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophobische Eigenschaften gibt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Aminmonomer niedrigen Molekulargewichts erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophile Eigenschaften gibt.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch einen Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts und einem beigemischten nicht-polymerisierbaren Plasmagas erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophile Eigenschaften gibt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das aliphatische Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts Methan, Ethan, Ethylen, Propylen, 1-Buten oder 2-Buten ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das aliphatische Aminmonomer niedrigen Molekulargewichts Triethylamin oder Allylamin ist.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das aliphatische Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewicht Methan, Ethan, Ethylen, Propylen, 1-Buten oder 2-Buten, und das nicht-polymerisierbare Plasmagas Stickstoff, Sauerstoff oder Wasser ist.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-polymerisierbare Plasmagas Stickstoff ist.

20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobische mikroporöse Substrat aus Filmen oder Hohlfasern mit Porengrößen im Bereich von 200 A bis 6000 A ausgewählt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmareaktor dazu ausgebildet ist, das hydrophobische mikroporöse Substrat in der Form eines kontinuierlichen Films oder einer Hohlfaser zu verarbeiten.

22. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobische mikroporöse Substrat aus einem Polyolefin oder fluoriniertem Polyolefin besteht.

23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobische mikroporöse Substrat aus Polypropylen, Polyethylen oder fluoriniertem Ethylenpropylen besteht.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobische mikroporöse Substrat die Form einer Hohlfaser hat.

25. Modul zum Separieren, Konzentrieren oder Reinigen von in Lösungen befindlichen Partikeln einer Größe von mehr als 10 A, gekennzeichnet durch

a) eine Behälteranordnung mit im Abstand voneinander angeordneten Endbereichen, die zwischen sich eine längliche Kammer bilden;
b) eine Mehrzahl von mikroporösen, Ultrafiltrations-Hohlfasern, von denen jede eine reduzierte Porengröße gemäß Anspruch 1 hat, und die in etwa paralleler Anordnung im Abstand voneinander innerhalb der Behälteranordnung untergebracht sind, wobei die Kammer durch die Wände der Hohlfasern in einen innerkapillaren Raum innerhalb der Hohlfasern und einen außerkapillaren Raum außerhalb der Hohlfasern eingeteilt wird und wobei der innerkapillare Raum und der außenkapillare Raum miteinander nur durch die Wände der Hohlfasern in Verbindung stehen;
c) Mittel zum Kommunizieren mit dem außerkapillaren Raum zwecks Durchleitung von Lösungen mit Partikeln mit einer Größe von über 10 A und
d) Mittel zum Kommunizieren mit dem innerkapillaren Raum zum Wiedergewinnen des Permeats.

26. Modul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlfasersubstrat aus Polyolefinen oder fluorinierten Polyolefinen mit Porengrößen im Bereich von 200 A bis 6000 A ausgewählt ist.

27. Modul nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlfasersubstrat aus Polypropylen, Polyethylen oder fluoriniertem Ethylenpropylen besteht.

28. Modul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Hohlfasern durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophobische Eigenschaften gibt.

29. Modul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Hohlfasern durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Aminmonomer niedrigen Molekulargewicht erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophile Eigenschaften gibt.

30. Modul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch eine Plasmapolymerisation mit einem aliphatischen Hydrocarbonmonomer niedrigen Molekulargewichts und einem beigemischten nicht-polymerisierbaren Plasmagas erfolgt und die Beschichtung der Oberfläche des Substrats hydrophile Eigenschaften gibt.

31. Modul nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-polymerisierbare Plasmagas Stickstoff ist.

32. Modul nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel Pyrogene oder Viren sind.

33. Zellkultureinheit zum Bilden und Aufrechterhalten von pflanzlichen, mikrobischen oder mammalischen Gewebekulturen in vitro, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Behälteranordnung mit im Abstand voneinander angeordneten Endbereichen vorgesehen ist, die zwischen sich eine längliche Kammer bilden;
b) daß eine Mehrzahl von mikroporösen Ultrafiltrations-Hohlfasern vorgesehen ist, von denen jede eine reduzierte Porengröße gemäß Anspruch 1 hat, und die in etwa paralleler Anordnung im Abstand voneinander innerhalb der Behälteranordnung untergebracht sind, daß die Kammer durch die Wände der Hohlfasern in einen innerkapillaren Raum innerhalb der Hohlfasern und einen außerkapillaren Raum außerhalb der Hohlfasern eingeteilt wird, daß der innerkapillare Raum und der außerkapillare Raum miteinander nur durch die Wände der Hohlfasern in Verbindung stehen, daß die Hohlfasern derart im Abstand voneinander angeordnet sind, daß sie einen ausreichenden außerkapillaren Raum zum Wachsen einer großen Anzahl von Zeilen bilden, wobei die Hohlfasern genügend nahe zueinander angeordnet sind, daß solche Zellen durch perfuses Durchdringen durch mindestens eine andere Hohlfaser beeinflußt werden, wenn die Zellenwachstiefe auf einer Hohlfaser so ist, daß die gegenüber der Hohlfaser entferntesten Zellen nicht länger durch perfuses Durchdringen der Hohlfaser und/oder durch Entfernen von Abfallprodukten durch perfuses Durchdringen der Hohlfaser ernährt werden können;
c) Mittel zum Kommunizieren mit dem außerkapillaren Raum zwecks Durchleitung von Perfusat und
d) Mittel zum Kommunizieren mit dem innerkapillaren Raum zum Einpflanzen von Zellen und Wiedergewinnen von Zellen oder Zellprodukten.

34. Zellkultureinheit nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlfasersubstrat aus Polyolefinen oder fluorinierten Polyolefinen mit Porengrößen im Bereich von 200 A bis 6000 A ausgewählt ist.

35. Zellkultureinheit nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlfasersubstrat aus einem Polyolefin oder fluoriniertem Polyolefin besteht.

36. Einrichtung zum Bilden und Aufrechterhalten von pflanzlichen, mikrobischen oder mammalischen Zellen in vitro, gekennzeichnet durch die Kombination mindestens einer Zellkultureinheit nach Anspruch 33, einem Perfusat-Reservoir, einer Pumpenanordnung und einem Leitungsystem zum Verbinden des Reservoirs mit der Pumpenanordnung und der Pumpenanordnung mit der Zellkultureneinheit.

37. Einrichtung nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Zellkultureinheiten.

38. Einrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Perfusat Nährstoffe und Aminosäuren oder Enzyme in die Zellkultur eingeführt werden, die mit den Zellen reagieren, und daß Zellreaktionsprodukte herausgezogen werden.

39. Verfahren zum Separieren, Konzentrieren oder Reinigen von Partikeln, die größer als etwa 10 A sind, aus wäßrigen oder sonstigen geeigneten Lösungssystemen, dadurch gekennzeichnet, daß eine mikroporöse Ultrafiltrations-Verbundmembran mit reduzierter Porengröße nach Anspruch 1 in eine geeignete Trenneinrichtung eingesetzt wird und daß ein wäßriges oder sonstiges geeignetes Lösungssystem, das Partikel mit einer Größe von mehr als etwa 10 A enthält, mit der Membran in Kontakt gebracht wird, um die gewünschte Trennung, Konzentration oder das Reinigen durchzuführen.

40. Verfahren zum Konzentrieren, Separieren und/oder Reinigen von Partikeln, die größer als etwa 10 A sind, aus Lösungen mit solchen Partikeln, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Lösung mit Partikeln einer Größe von mehr als etwa 10 A durch Mittel an einem Ende der Kammer, die mit dem außerkapillaren Raum in Verbindung steht, durch ein Modul nach Anspruch 25 geleitet wird, um die Partikel zu separieren, konzentrieren und/oder zu reinigen;
daß das Permeat aus Mitteln entzogen wird, die mit dem innerkapillaren Raum in Verbindung stehen; und daß die separierten, konzentrierten und/oder gereinigten Partikel aus Mitteln am anderen Ende der Kammer entzogen werden, die mit dem außerkapillaren Raum in Verbindung stehen.

41. Verfahren zum Bilden und Aufrechterhalten von pflanzlichen, mikrobischen oder mammalischen Gewebekulturen in vitro, dadurch gekennzeichnet, daß lebende Zellen in den innerkapillaren Raum eines Moduls nach Anspruch 25 eingesetzt werden, so daß die Zellen sich auf den Hohlfasern niedergeschlagen, und daß das Perfusat durch den innerkapillaren Raum hindurchgeleitet wird.