EA000300B1

EA000300B1 - Искусственная разделительная мембрана

Info

Publication number: EA000300B1
Application number: EA199700421A
Authority: EA
Inventors: Хеннинг Рёттгер; Фридберт Вехс
Original assignee: Акцо Нобель Н.В.
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1996-05-02
Publication date: 1999-04-29
Also published as: UA48967C2; EP0828553B1; CN1185119A; JP4683506B2; AU5693396A; AU693362B2; ES2160817T3; JP2011078972A; JPH11506387A; WO1996037282A1; CN1099309C; DE19518624C1; DE59607228D1; US5919370A; EP0828553A1; EA199700421A1

Description

Изобретение относится к интегральной, асимметричной, искусственной разделительной мембране для области нанофильтрации и нижней области ультрафильтрации на основе полимеров, которые являются растворимыми в εкапролактаме, к способу изготовления мембран, а также к применению этих мембран.

Мембраны из искусственных полимеров известны уже давно.

Также уже известно применение εкапролактама в качестве растворителя при изготовлении мембран из искусственных полимеров.

Так, в патенте DE-PS 3 327 638 описан способ изготовления фасонных деталей, имеющих поры, в котором из полиамида 6, εкапролактама и полиэтиленгликоля изготавливают соответствующее полое волокно. Формование осуществляется при температуре сопла, равной 210°С. Прядильный раствор является гомогенным и жидковязким и поэтому должен экструдироваться в U-образную охлаждающую трубку, в которой механическая нагрузка на полимерную смесь поддерживается незначительной вплоть до начала затвердевания.

Согласно описанному в патенте способу, осаждение полимера происходит по термически инициируемому процессу. Благодаря применению осадителя диффузионно индуцированной коагуляции практически не происходит. Описанные мембраны годятся для микрофильтрации, они имеют, как правило, изотропную структуру.

Хотя имеются также указания на возможность получения анизотропной пористой системы, но, кроме замечания о наличии градиента внутри формованной детали, направленного к поверхности, более подробных данных о асимметрии мембран не имеется.

В ЕР-В1-0 361 085 описываются интегральные асимметричные полиэфирсульфоновые мембраны, способ их изготовления, а также их применение для ультрафильтрации и микрофильтрации. Упомянутые полиэфирсульфоновые мембраны имеют максимальный диаметр пор в диапазоне от 0,02 до 2 мкм, поэтому эти мембраны подходят, преимущественно, для микрофильтрации и верхней грубопористой области ультрафильтрации. Мембраны, которые подходят для нанофильтрации, гемодиализа, гемодиализной фильтрации и гемофильтрации и нижней тонкопористой области, в этом патентном документе не описаны.

В ЕР-В 1-0 357 021 описан способ изготовления мембран из определенных полимеров, в котором в качестве важного растворяющего компонента применяется ε-капролактам, и в котором формование мембран и других деталей проводится по принципу фазовой сепарации. Мембраны, описанные в этой публикации, также применяются в области микро-и ультрафильтрации, они подходят, кроме того, для регулируемого выделения биологически активного вещества.

Известно, что мембраны, которые должны применяться для определенных процессов разделения, должны отвечать определенным требованиям. Их задача состоит в осуществлении процессов обмена, причем в зависимости от поставленной задачи речь может идти, например, о том, чтобы удалять твердые частицы из жидкости или осуществлять также отделение растворенных частиц.

Оказалось целесообразным подразделить процессы разделения на определенные категории, причем область обратного осмоса называют гиперфильтрацией. К этой области с увеличивающимся размером пор примыкает нанофильтрация, вслед за которой идет ультрафильтрация, микрофильтрация и фильтрация частиц.

Это разделение на пять различных областей фильтрации применяется на практике, однако при этом следует учитывать, что отдельные области могут перехлестываться своими верхними и нижними границами.

В области фильтрации частиц сравнительно просто установить размер пор и проницаемость или задерживающую способность для частиц определенного размера, так как в этих областях уже невооруженным глазом сравнительно просто различить как размер частиц, так и размер пор, по меньшей мере, в верхней области фильтрации частиц, в средней же и нижней областях, в любом случае, это можно установить с помощью оптического микроскопа. И в этих областях фильтрации отделяемые частицы являются твердыми частицами, которые во время фильтрации, в основном, сохраняют свои геометрические размеры. Это действует, в основном, и в области микрофильтрации с очень мелкими частицами, например, могут отфильтровываться красочные пигменты, бактерии, элементы сажи из табачного дыма и так далее. И здесь размеры пор и размеры частиц еще находятся в соответствии друг с другом.

У мелкопористых мембран для ультрафильтрации устанавливается порог задержки (cutt-off) мембраны. Для этого применяются точно определяемые растворы молекул с известной молекулярной массой, размером и формой при определенных условиях фильтрации. Обычными являются измерения с помощью водных полидисперсных растворов декстрана, которые позволяют определить порог задержки мембраны для широкого диапазона молекулярных масс. Этот способ описан, например, в Биотехнологии, т. 9, с. 941-946, год издания 1991 (G.Tkacik и S.Michaels).

Определение коэффициента задержки цитохрома С, альбумина и других протеинов определенной молекулярной массы, особенно распространено для медицинских диализных мем3 бран (искусственная почка). Коэффициент задержки определяется следующим образом:

где Спермеат - концентрация определяемого вещества в фильтрате (пермеат) и

Сводного раствора - концентрация вещества в исходном растворе.

Верхней областью ультрафильтрации в плане изобретения считается область, в которой поры мембран, определяющие порог задержки мембраны, имеют диаметр 0,02 мкм и выше. Нижней областью считается область ультрафильтрации, при которой поры мембран, определяющие порог задержки, имеют диаметр ниже 0,02 мкм.

Хотя уже описаны многочисленные мембраны для самых различных задач разделения, а также известны способы, в которых применяется ε-капролактам в качестве растворителя при изготовлении мембран, тем не менее существует потребность в улучшении мембран, в частности, создании таких мембран, у которых не только порог задержки мембраны, но и гидравлическая проницаемость могут изменяться, в значительной мере, независимо друг от друга, как можно в более широких областях, и которые подходят для применения при нанофильтрации и в нижней области ультрафильтрации.

Задачей изобретения, таким образом, является создание мембран, у которых порог задержки и гидравлическая проницаемость может точно устанавливаться, но у которых, с другой стороны, можно точно регулировать, независимо от порога задержки мембраны, и гидравлическую проницаемость таким образом, что можно получить мембраны с определенным порогом задержки мембраны, которая имеет, в зависимости от потребности, более низкую, среднюю или также высокую гидравлическую проницаемость.

Но, с другой стороны, должно быть также возможным изготовление мембран с заданной гидравлической проницаемостью, у которых в зависимости от потребности можно точно регулировать порог задержки мембраны внутри определенных областей.

Кроме того, должно быть также возможным изготовление мембран в зависимости от специальных целей применения, с использованием определенных полимеров, которые, кроме того, имеют специфические свойства, например, возможность стерилизации паром, биосовместимость или кровосовместимость, например, весовой баланс между гидрофильными и гидрофобными группами на поверхности мембраны, или которые обладают соответственно выраженным зарядом, химической стойкостью, кислотостойкостью, стойкостью к ультрафиолетовым лучам, способностью повторного использования, в том числе после сушки, стойкостью при хранении, в том числе в сухом состоянии, без снижения производительности, благоприятной характеристикой адсорбции и хорошими механическими свойствами.

Эта задача решается посредством интегральной, асимметричной в нескольких направлениях, полупроницаемой мембраны из полимеров, растворимых в ε-капролактаме, в форме плоских мембран, трубчатых мембран или половолоконньгх мембран, состоящей из

а) разделяющего слоя А с порами, открытыми на поверхности с определенным порогом задержки в диапазоне от 500 до 5 миллионов Дальтон, причем разделяющий слой А составляет, максимально, 20% от общей толщины стенки мембраны и имеет сквозные поры,

б) примыкающего к нему, грубопористого, губчатого опорного слоя В, имеющего ячеистые поры без пальцевых пор, который имеет градиент пористости, исходящий от границы с разделяющим слоем, гидравлическое сопротивление которого пренебрежительно мало по сравнению с разделяющим слоем А и слоем С,

в) примыкающего к нему слоя С, размер пор у которого больше, чем у разделяющего слоя А, но меньше, чем у опорного слоя В, и который - в комбинации с разделяющим слоем А - определяет гидравлическую проницаемость мембраны, не влияя при этом на порог задержки, и который имеет поры, открытые к поверхности другой стороны, причем эти открытые поры больше, чем открытые поры на поверхности разделяющего слоя А.

Разделяющий слой составляет, предпочтительно, максимально от 5 до 10, в частности, максимально - от 1 до 5% от общей толщины стенки мембраны.

В особенно предпочтительной форме выполнения изобретения уточненный порог задержки лежит в диапазоне от 500 до 400 000, в частности, в диапазоне от 500 до 60 000 Дальтон.

Является предпочтительным, если, по меньшей мере, 50% пор в опорном слое В имеют диаметр от 0,1 до 10 мкм, по меньшей мере, 50% пор в опорном слое С имеют диаметр от 0,05 до 2 мкм, причем размер пор в слое С меньше, чем в пористом слое В.

Является предпочтительным, если опорный слой В составляет от 10 до 60%, а слой С от 30 до 80% от общей толщины мембраны.

В особенно предпочтительной форме выполнения изобретения мембрана состоит на, по меньшей мере, 80 вес.% из полиэфирсульфона.

Кроме того, предметом изобретения является способ изготовления мембран вышеописанного типа, в котором из растворимого в εкапролактаме полимера в смеси ε-капролактама и одного или нескольких сорастворителей, а также, в случае необходимости, нерастворителей и других добавок изготавливают высоковяз5 кий, 17-27 вес.%-ный раствор полимера, который имеет вязкость, равную, по меньшей мере, 20 Па-с, замеренную при 40°С, этот раствор формуют с применением обычных инструментов в плоскую, трубчатую или половолоконную мембрану, причем сначала при формовании раствора полимера за счет разных температур на обеих поверхностях формуемого полимерного раствора устанавливают профиль вязкости по толщине получающейся мембраны, полимер, в случае необходимости, с промежуточным включением климатизированного воздушного канала, содержащего газообразный или парообразный нерастворитель полимера, подвергают диффузионно вызываемой коагуляции, при этом на стороне с более низкой температурой (и, тем самым, с более высокой вязкостью) путем более быстрой коагуляции, чем на стороне, на которой образуется слой С, получают разделяющий слой А. Предпочтительно, для формования применяют раствор, имеющий температуру от 20 до 90°С.

Предпочтительно, для формования применяют полимерный раствор с температурой от 40 до 90°С и вязкостью от 5 до 150 Па-с при температуре формования.

Предпочтительным является полимерный раствор с вязкостью от 40 до 200 Па-с, замеренной при 40°С, в частности с вязкостью от 50 до 150 Па-с.

В следующей предпочтительной форме выполнения способа согласно изобретению изготавливают половолоконную мембрану, формуя раствор в половолоконную мембрану и применяют внутреннее наполнение с вязкостью от 0.03 до 0,5 Па-с, замеренной при 25°С для инициирования коагуляции, полые волокна пропускают через воздушный канал, климатизированный водяным паром, и после этого полые волокна для завершения коагуляции и фиксирования структуры пропускают через осадительную ванну, предпочтительно, нагретую водяную ванну.

Другими объектами изобретения является применение мембраны для процесса разделения в области нанофилырации и в нижней области ультрафильтрации, в частности для гемодиализа, гемодиафильтрации и гемофильтрации. Другим применением мембран является заключение в капсулы биологически активных веществ. Заключенные в капсулу биологически активные вещества после истечения срока хранения могут попадать в окружающую среду, но является также возможным, что заключенные в капсулы биологически активные вещества вступают во взаимодействие с окружающей средой, оставаясь в капсулах. Заключенные в капсулы биологически активные вещества могут применяться в области медицины как экстракорпорально, так и интеркорпорально.

Для изготовления мембран согласно изобретению применяются полимеры, растворимые в ε-капролактаме или в смеси ε-капролактама и одного или нескольких сорастворителей, обладающие свойствами, позволяющими образовать пленку или мембрану. К этим полимерам относятся поливинилиденфторид, полиэфирсульфоны, полисульфоны, полимеры этиленвинилового спирта, полиэфиримиды, триацетат целлюлозы, полиуретаны, полиметилмет-акрилат, полиамид-6, поликарбонаты, полиакрилонитрил, сложный полиэфир, полиэфир, кетоны простого полиэфира и т.д.

Эти полимеры могут применяться поодиночке, в смеси или в качестве сополимеров. Предпочтительными являются биосовместимые полимеры, в частности, кровосовместимые полимеры. При этом полимеры могут быть биосовместимьми или кровосовместимыми, но они также могут стать биосовместимыми путем применения добавок или путем модифицирования. Модифицирование может осуществляться химически или физически, например, обработкой плазмой.

В качестве сорастворителей могут применяться растворители, которые могут растворять применяемые полимеры, но речь также может идти и о таких растворителях, которые растворяют полимер только при взаимодействии с εкапролактаном. К ним относятся также растворители, которые растворяют полимер, образующий мембрану, сами по себе, но только плохо или только при повышенной температуре. Эти растворители называют скрытыми растворителями, такими являются, например, бутиролактон, пропиленкарбонат, полиалкиленгликоли. К растворителям, которые могут растворять поодиночке некоторые из вышеназванных полимеров, относятся, помимо прочих, диметилсульфооксид, диметилформамид, Nметилпирролидон, диметилацетамид и т.д. Однако, в качестве сорастворителей, предпочтительно, применяются скрытые растворители.

В качестве нерастворителей в рамках изобретения следует понимать соединения, которые сами растворять не могут и/или снижают растворительный потенциал смеси εкапролактам/сорастворитель, т.е. уменьшают растворимость полимера в смеси. В качестве нерастворителя, в зависимости от типа полимера, могут действовать: вода, глицерин, полиэтиленгликоли, спирты, например, этанол, изопропиловый спирт и т.п.

Добавками могут быть соединения типа поливинилпирролидон, полиэтиленовый спирт, полиакрилаты, поливиниловый спирт и т.д. Также могут добавляться наполнители, например, кремниевая кислота, а также пигменты.

Эти добавки могут, кроме того, оказывать сгущающее действие, они могут также действовать в качестве порообразующего средства или нуклеирующего средства или улучшать смачи7 ваемость мембраны, в частности, водой. Добавки могут, в случае необходимости, еще модифицироваться химически или физически в мембране. Так, например, можно сделать поливинилпирролидон более водонерастворимым.

Но также могут применяться добавки, которые воздействуют на стойкость мембраны, цвет, абсорбционную и адсорбционную характеристику. Являются также возможными добавки, которые регулируют зарядку мембран, например, придают мембране анионовый или катионовый характер. Сюда относятся, например, такие соединения, как сульфонированные полиэфирсульфоны, описанные, например, в Европейской патентной заявке ЕР-А2-0 341 473.

Поэтому добавка одного или нескольких сорастворителей показала, что поскольку сам εкапролактам является веществом, плавящимся только при температуре, приблизительно, 70°С, то полимерные растворы могли бы изготавливаться при этой или более высоких температурах. За счет добавки сорастворителей температура растворения или температура полимерных растворов может лежать значительно ниже, например, при 40°С или даже при комнатной температуре.

Для способа согласно изобретению существенное значение имеет то, что раствор, формуемый в мембрану с применением формующих инструментов, имеет вязкость, по меньшей мере, 2Оа-с. замеренную при 40°С. Эта вязкость может регулироваться, во-первых, посредством изменения концентрации и молекулярного веса применяемых полимеров, а во-вторых добавки также служат средством регулирования вязкости. Вязкость, кроме того, зависит от содержания ε-капролактама в смеси ε-калролактама и сорастворителя, применяемой для изготовления полимерного раствора, кроме того, от вида и концентрации сорастворителей и нерастворителей. В рамках изобретения под вязкостью понимается вязкость всего раствора, равная, по меньшей мере, 20 Па-с, замеренная при 40°С. Это относится также и к соответствующим предпочтительным значениям.

Изготовление полимерного раствора может осуществляться сначала путем простого смешивания всех компонентов, причем необходимо обращать внимание на хорошее перемешивание. Затем происходит растворение, предпочтительно, при нагреве, причем предпочтительными являются температуры, приблизительно, 30-120°С. Конкретная температура зависит, в частности, от применяемого полимера и соотношения концентраций, и может легко определяться простыми опытами.

В качестве инструментов для формования раствора могут служить обычные формующие инструменты, например, щелевые сопла, литьевые опоки с ракелью для нанесения на валок или ленточный носитель, кольцеобразные половолоконные фильеры с устройством для нанесения внутрь жидкости для образования внутреннего канала волокна и тому подобное.

Профиль вязкости, который регулируется различными температурами на обеих поверхностях формуемого полимерного раствора, зависит, прежде всего, от температуры раствора, подлежащего формованию. Тем самым характеристику профиля вязкости можно регулировать величиной температуры раствора (температура формования или прядения) и посредством разности температур между этой температурой и температурами на обеих поверхностях формуемого полимерного раствора.

Таким образом, у плоских мембран может регулироваться даже температура раствора, поэтому, например, при работах с валком регулируется температура подложки, температура одной из поверхностей и температура другой поверхности - посредством регулирования температуры, например, закраины опоки. Кроме того, на выполнение профиля вязкости можно воздействовать также температурой климатизируемого участка, на котором формуемое изделие проходит по воздуху, применяемого, предпочтительно, при изготовлении такими способами плоских мембран.

Коагуляция на стороне, на которой образуется слой С, таким образом, замедляется и происходит в период времени обработки в осадительной ванне, начиная с момента выхода из формующего инструмента, вплоть до полного окончания коагуляции в осадительной ванне. Коагуляция слоя А, наоборот, начинается только тогда, когда предварительно отформованная деталь поступает после валка в осадительную ванну.

При изготовлении половолоконных мембран имеет значение также температура прядильного раствора, температура на поверхности формуемых полимерных растворов регулируется температурой сопла, в частности, той части сопла, которая формует наружную поверхность половолоконной мембраны, и температурой внутреннего наполнения.

Внутреннее наполнение вызывает образование разделяющего слоя А. Оно вызывает, таким образом, более быструю коагуляцию. Это связано, в частности, с содержанием и видом нерастворителей и вязкостью внутреннего наполнения. При этом содержание нерастворителей таково, что на внутренней поверхности, как и на участке, на котором формуемое волокно проходит по воздуху, происходит более быстрая коагуляция. На наружной стороне образующейся мембраны на участке, на котором формуемое волокно проходит по воздуху, на наружной поверхности сначала осуществляется дозированный прием нерастворителей из климатизируемой атмосферы, вследствие чего происходит замедленная предварительная коагуляция. Затем инициированная диффузией коагуляция завер9 шается в осадительной ванне, которую, предпочтительно, нагревают и которая, предпочтительно, представляет собой водную ванну.

Вместо применения нагреваемого воздушного зазора, замедляющего коагуляцию, можно также осуществлять экструдирование в осадительную ванну, которая оказывает меньшее осадительное действие, чем внутреннее наполнение. При этом может быть предпочтительным предусмотреть между поверхностью осадительной ванны и выходной поверхностью сопла маленький зазор. Но можно также осуществить экструдирование непосредственно в осадительную ванну.

Если разделяющий слой должен лежать снаружи, параметры способа должны, соответственно, меняться на противоположные.

Под полиэфирсульфонами в плане изобретения понимаются полимеры, которые имеют следующую повторяющуюся структурную единицу.

о

Такие полимеры являются стандартными продуктами.

Под порами, имеющимися в отдельных слоях, понимаются всегда сквозные поры, т.е. поры, имеющие друг с другом более или менее многочисленные соединения, т.е. отверстия от одних пор к другим.

Это сквозное прохождение имеется, прежде всего, в большой степени в губчатом слое В, имеющем фасонные поры. Эта губчатая структура соответствует структуре, показанной, кроме того, на фиг.4 документ;) ЕР-В1-0 361 085.

Является особенно неожиданным, что согласно изобретению становится возможным изготовление мембран из самых разных полимеров с аналогичными свойствами для различных применений. С помощью изобретения можно установить очень большую область порога задержки и установить внутри этой области точно определенный порог задержки, без необходимости изменять состав прядильного раствора.

С другой стороны, внутри этой широкой области можно отрегулировать гидравлическую проницаемость путем изменения слоя С, без необходимости изменения при этом порога задержки.

При соответствующем выборе полимеров, в частности, при применении полиэфирсульфонов, мембраны могут очень хорошо стерилизоваться паром. Кроме того, мембраны имеют высокую биосовместимость, химическую стойкость, стойкость к окислению и стойкость к ультрафиолетовым лучам.

Диализные мембраны согласно изобретению при применении для гемодиализа характеризуются очень высокой степенью удаления β₂микроглобулина.

Но особенно предпочтительной также является возможность повторного использования мембран согласно изобретению, т.е. после использования их можно очистить и высушить и использовать повторно без ухудшения их свойств. Они имеют хорошие механические свойства, например, прочность, высокий предел прочности на растяжение в сухом состоянии. Мембраны можно хранить и транспортировать в сухом состоянии.

Но можно также, например, после мойки и перед сушкой обработать мембраны глицерином и, таким образом, воздействовать на такие свойства, как, например, самоприклеивание при заделывании в такие массы, как, например, полиуретаны или эпоксидные смолы, а также можно воздействовать на свойство разделения.

Ниже изобретение поясняется более подробно следующими примерами.

Примеры 1-5 Из компонентов:

Полиэфирсульфон (BASF;

Ultrason 6020) 22,5 вес.%

Поливинилпирролидон (ISP; PVPK30) 11,3 вес.% ε-Капролактам 30,8 вес.% γ-Бутиро лактон 30,8 вес.%

Глицерин 4,6 вес.% при комнатной температуре изготавливают с перемешиванием Slurry (пастообразную смесь), которую затем при интенсивном перемешивании нагревают до 115°С с целью образования гомогенного раствора. Затем раствор охлаждают до, приблизительно, 50°С и дегазируют с приложением вакуума и фильтруют.

При применении обычного половолоконного сопла в воздушном канале длиной 60 см (заключенный в оболочку климатический канал) с температурой 35°С и относительной влажностью воздуха 85%, изготавливают полые волокна с применением внутренних наполнителей, указанных в нижеследующей таблице. В качестве осадительной ванны применяют полностью обессоленную воду при температуре 40°С. Мембраны промывают горячей водой при 80°C и затем сушат при комнатной температуре.

Результаты опытов, зарегистрированные в таблице, графически представлены на фиг.1.

Таблица 1

№	Капролактам [вес.%]	Глицерин [вес.%]	Обессоленная вода [вес.%]	t осадительной ванны [°C]	t сопла [°C]	UFR [мл/(м² ч мм рт.ст.)]	SK (CC)
1	43,0	43,0	14,0	40	60	60	0,25
2	44,0	44,0	12,0	40	60	70	0,30
3	45,0	45,0	10,0	40	60	92	0,37
4	46,0	46,0	8,0	45	60	234	0,58
5	47,0	47,0	6,0	40	60	420	0,73

Примеры 6-12

Так же, как в примерах 1 - 5, из следующих компонентов изготовили прядильный раствор:

Полиэфирсульфон (BASF;

Ultrason 6020) 20,0 вес.%

Поливинилпирролидон (ISP; PVP КЗО) 14,4 вес.% ε-Капролактам 30,3 вес.% γ-Бутиролактон 30,3 вес.%

Глицерин 4,5 вес.%

Обессоленная вода 0 5 вес.%

Применяемые внутренние наполнители, а также результаты опытов, представлены в табл. 2 и графически воспроизведены в виде кривой на фиг.1.

Таблица 2 | Состав внутреннего наполнения |

№	Капролактам [вес.%]	Глицерин [вес.%]	Обессоленная вода [вес.%]	t осадительной ванны [°C]	t сопла [°C]	UFR [мл/(м² ч мм рт.ст.) ]	SK (СС)
6	45,0	45,0	10,0	50	57	120	0,29
7	45,75	45,75	8,5	47	62	260	0,44
8	45,5	45,5	9,0	55	65	517	0,64
9	45,5	45,5	9,0	55	68	570	0,67
10	45,5	45,5	9,0	55	71	703	0,72
11	45,5	45,5	9,0	55	74	810	0,77
12	45,5	45,5	9,0	55	77	885	0,80

Из кривых следует, что мембраны можно изготовить согласно изобретению с определенными гидравлическими проницаемостями и различными коэффициентами задержки (порог задержки). Само собой разумеется, можно размножить количество фигур, представленных на фиг.1, посредством нескольких опытов, и тем самым экспериментально определить рецептуру для мембран с самыми разными целями их применения.

Пример 13

Так же, как в примерах 1 - 5, из следующих компонентов:

Полиэфирсульфон (Ultrason 6020 BASF) 20,0 вес.%

Поливинилпирролидон (PVP) K30 ε-Капролактам γ-Бутиролактон Г лицерин Вода изготавливают прядильный

14,4 вес.%

30,3 вес.%

4,7 вес.%

0,5 вес.% раствор (вязкость при 40°С 150 Па-с) и полые волокна, причем в качестве внутреннего наполнения применяют смесь из 46 вес.% капролактама, 46% глицерина и 8% обессоленной воды. Длина воздушного канала составляет 65 см. Воздушный канал был отрегулирован на относительную влажность около 85% и температуру 38°С. В качестве осадительной ванны применяют обессоленную воду с температурой 56°С. Температура сопла составляла 67°С.

Мембрана, изготовленная таким образом, используется, преимущественно, в качестве так называемой High-flux-диализной мембраны.

Диализная мембрана имеет следующие параметры:

коэффициент задержки цитохрома С:0,75 коэффициент задержки альбумина: 0,05 порог задержки для декстрана (задерживающая способность > 95%): 55.000 Дальтон

UFR (альбумин): 50 мл/ч м² мм рт.ст.)

UFR (вода): 600 мл/ч м² мм рт.ст.).

Для определения вышеприведенных параметров мембраны применяются измерительные способы, указанные выше.

Примеры 14-17

Способом, аналогичным вышеприведенным примерам, изготавливают прядильный раствор из следующих компонентов:

Полиэфирсульфон
(Ultrason 6020 BASF)	17,8 вес.%
Сульфонированный
полиэфирсульфон
(степень сульфонирования 7%)	1,3 вес.%
Поливинилпирролидон КЗО	19,1 вес.%
Капролактам	14,3 вес.%
Бутиролактон	43,0 вес.%
Г лицерин	3,9 вес.%
Вода	0,6 вес.%

Раствор переработали в полые волокна с применением прядильного сопла с кольцевой щелью для полимерного раствора и иглы для заполнения внутреннего канала волокна. В качестве осадительной ванны служила обессоленная вода. Воздушный канал имел высоту 60 см.

Температура прядильного раствора составляла 30°С, а температура внутреннего наполнения 25°С.

Составы внутренних наполнений приведены в табл. 3.

Таблица 3

№	ε-Капролактам [вес.%]	Глицерин [вес.%]	Вода [вес.%]	Проницаемость [мл/ч(м² мм рт.ст.)]
14	43,0	4,3	14	460
15	44,75	44,75	10,5	1500
16	45,25	45,25	9,5	3850
17	45,75	45,75	8,5	5600

Задерживающая способность молекул декстрана у мембран, изготовленных согласно примерам 14-17, графически представлена на фиг.2.

Характеристики мембран могут определяться следующими способами.

Скорость ультрафильтрации для воды (гидравлическая проницаемость).

Определение гидравлической проницаемости осуществляется на капиллярных модулях, каждый из которых содержит 100 капилляров со свободной длиной волокон 20 см. Капилляры заделываются в полиуретан. При выборе полиуретана следует учитывать, что клеющая масса не внедряется внутрь капилляров и не закупоривает их. Длина заделывания составляет около 1 см. В Dead-End Modus через проверяемую мембрану фильтруется вода, причем устанавливается трансмембранное давление ТМР, равное 0,2 бар.

При заданном трансмембранном давлении замеряется количество воды, отфильтрованное за единицу времени:

ТМР = {Р(вход) + Р(вьгход)}/2, где Р(вход) = разница давлений над мембраной на входе образца для испытаний,

Р(вьгход) = разница давлений над мембраной на выходе образца для испытаний.

V фильтрат

UFR =t. ТМР . А

V₍|,_IIIII:,_I|);1I - объем фильтрата [мл], собранный за период времени t, t - период времени, в течение которого собирается фильтрат [ч],

А - внутренняя поверхность мембраны.

Давление на входе + Давление на выходе ТМР ⁼ 2

Коэффициент задержки для цитохрома С и бычьего альбумина из водного 5%)-но го раствора бычьего альбумина.

Определение коэффициента задержки цитохрома С и бычьего альбумина осуществляют с учетом DIN 58 353. Потоки фильтрата Q_F и контрольной жидкости на входе образца для испытаний Qbx определяют следующим образом:

Q_BX = 200 мл/(мин-м²)

Q_F = 10 мл/(мин-м²)

В качестве контрольного раствора служит 5%-ный водный раствор бычьего альбумина (Boehringer), к которому добавляют DAB 10 Puffer.

Состав Puffer:

КН2РО4 0,19 г/л

NaCl 8,0 г/л

Na₂HPO₄ 12H₂O 2,38 г/л

Определение характеристики разделительной границы путем определения задерживающей способности молекулы декстрана с различной молекулярной массой.

Через исследуемую мембрану пропускают в Gross Flow-Modus полидисперсный водный раствор декстрана (Pool). Устанавливается определенная плотность потока фильтрата через мембрану. Определяется содержание молекул декстрана различных молекулярных масс MW в потоке фильтрата или в Pool с помощью хроматографии проницаемости.

Для этого HPLC-спектр Pool или фильтрата разделяют на 40 эквидистантных зон, площадь которых определяется числовым интегрированием. К каждому из этих интервалов времени относится молекулярная масса, соответствующая эталонному спектру, которую определяют с помощью монодисперсных молекул декстрана. Коэффициент задержки мембраны, соответствующий молекулярной массе MW молекул декстрана, получают как отношение площади сегмента HPLC-спектра фильтрата и Pool.

площадь (MW, пермеат)

SKmw ~площадь (MW, основной раствор)

Задержка = (1 - SK). 100 [%]

Коэффициент задержки для молекулы декстрана с молекулярной массой MW рассчитывают следующим образом:

Коэффициент эадсржки_(ХЖ) = 1 - SK_MW.

Так как полученный профиль задержки существенно зависит от условий проведения способа (поляризации в зависимости от концентрации), плотность потока фильтрата и скорость сдвига у стенки должны быть однозначно определены при установлении профиля задержки. Для модуля капиллярной мембраны длины 1, содержащего η капиллярных мембран, плотность потока фильтрата и осевой объемный поток рассчитываются следующим образом:

n. d³. Y_wQL =1,64« 10¹¹

Y_w - скорость сдвига у стенки = 2000/сек, d - в^^енний диаметр капиллярной мембраны [мкм], n - KOJii'ieeί во капиллярных мембран в образце для испытаний,

QL - осевой объемный поток во внутреннем канале волокна капиллярных мембран [мл/мин.].

QF - поток фильтрата [мл/мин], l - свободная длина мембраны в образце для испытаний,

VL - скорость во в^треннем канале волокна [см/мин]; VL = QL-4-10⁸/(n-nh-d²), n - количество капилляров в образце для испытаний.

Состав применяемого раствора декстрана Тип декстрана: Т10 Т40 Т70 Т500

Доза впрыска: 0,64 г/л 0,90 г/л 0,4 г/л 0,66 г/л (Изготовитель: Pharmacia Biotech, артикул: Т10, Т40, Т70, Т500)

Растворы получают на полностью обессоленной воде.

Пример 18

Из 19%-ного прядильною раствора с вязкостью около 40 Па-с при 40°С, состоящего из:

19,0 вес.% полиэфирсульфона типа Е ЗОЮ (BASF)

13,3 вес.% поливинилпирролидона типа К 30 (ISP)

31,5 вес.% капролактама

31,5 вес.% бутиролактона

4,7 вес.% глицерина (обезвоженного) изготавливают описанным способом, применяя капиллярные мембраны с внутренним каналом волокна 200 мкм и толщиной стенки мембраны, равной 40 мкм. Для образования внутреннего канала волокна применяется смесь, состоящая из 42,5/42,5/15 частей капролактама/глицерина/воды. После прохождения через заключенный в оболочку климатический канал с длиной 60 см, отформованная капиллярная мембрана упрочняется в водяной ванне, нагретой до 50°С, затем промывается в горячей воде при температуре 80°C и сушится горячим воздухом.

На фиг.3 схематически показано распределение пор в мембране согласно изобретению.

В рамках изобретения размеры мембран, т.е. толщина стенки и внутренний диаметр могут изменяться в сравнительно широком диапазоне; таким же образом можно подгонять мембрану для различных целей применения. Толщина стенки для гемодиализа, гемодиафильтрации и гемофильтрации составляет, в общем случае, от 10 до 50 мкм. а вну i peiiiinii канал волокна 150-250 мкм. Предпочтительное значение, например, толщины стенки равно 30 мкм. внутреннего канала волокна - 200 мкм.

Для других применений, например, ультрафильтрации толщина стенки может составлять до 1000 мкм, а внутренний канал волокна до 5 000 мкм. Однако эти параметры являются ориентировочными. Само собой разумеется, что границы параметров могут расширяться как вверх, так и вниз.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Искусственная разделительная мембрана из полимеров, растворимых в ε-капролактаме, имеющая плоскую, трубчатую или половолоконную форму, состоящая из:

а) находящегося на поверхности мембраны тонкого разделяющего слоя А с определенным порогом задержки в диапазоне от 500 до 5 000 000 Дальтон, причем разделяющий слой А составляет максимально 20% от общей толщины стенки мембраны и имеет сквозные поры,

б) примыкающего к нему грубопористого, губчатого опорного слоя В, имеющего ячеистые поры без пальцевых пор, который имеет градиент пористости, исходящий от границы с разделяющим слоем, гидравлическое сопротивление которого пренебрежительно мало по сравнению с разделяющим слоем А и слоем С,

в) примыкающего к нему слоя С, размер пор у которого больше, чем у разделяющего слоя А, но меньше, чем у опорного слоя В, и который в комбинации с разделяющим слоем А определяет гидравлическую проницаемость мембраны, не влияя при этом на порог задержки, и который имеет поры, открытые к поверхности другой стороны, причем эти открытые поры больше, чем открытые поры на поверхности разделяющего слоя А.
2. Мембрана по π. 1, отличающаяся тем, что разделяющий слой А составляет максимум от 5 до 10% от общей толщины стенки мембраны.
3. Мембрана по п.2, отличающаяся тем, что разделяющий слой А составляет максимум от 1 до 5% от общей толщины стенки мембраны.
4. Мембрана по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она имеет определенный порог задержки в диапазоне от 500 до 400 000 Дальтон.
5. Мембрана по п.4, отличающаяся тем, что она имеет определенный порог задержки в диапазоне от 500 до 60 000 Дальтон.
6. Мембрана, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, 50% пор в опорном слое (В) имеют диаметр от ОД до 1 мкм и, по меньшей мере, 50% пор в слое С имеют диаметр пор от 0,05 до 2 мкм, причем размер пор в слое С меньше, чем в слое В.
7. Мембрана по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что опорный слой составляет от 10 до 60% и слой С 30-80% от общей толщины мембраны.
8. Мембрана по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она, по меньшей мере, на 80 вес.% состоит из полиэфпрсульфона.
9. Способ изготовления мембран по любому из пп.1-8, в котором из полимера, растворимого в ε-капролактаме, в смеси ε-капролактама с одним или несколькими сорастворителями, а также, в случае необходимости, с нерастворителями и другими добавками, получают высоковязкий, 17-27 вес.%-ный полимерный раствор, имеющий при температуре 40°С вязкость, равную, по меньшей мере, 20 Па-с, из этого раствора формуют плоскую, трубчатую или половолоконную мембрану, причем сначала при формовании полимерного раствора за счет разных температур на обеих поверхностях мембран устанавливают профиль вязкости по толщине получающейся мембраны, полимер, в случае необходимости, с промежуточным включением климатизированного воздушного канала, содержащего газообразный или парообразный нерастворитель полимера, подвергают диффузионно вызываемой коагуляции, при этом на стороне с более низкой температурой и тем самым с более высокой вязкостью путем более быстрой коагуляции, чем на стороне, на которой образуется слой С, получают разделяющий слой А.
10. Способ по и.9, отличающийся тем, что для формования применяют раствор, имеющий температуру от 20 до 90°С.
11. Способ по и. 10, отличающийся тем, что для формования применяют полимерный раствор с температурой от 40 до 90°С и вязкостью от 150 до 5 Па-с при температуре формования.
12. Способ по и.9, отличающийся тем, что применяют полимерный раствор с вязкостью от 40 до 200 Па-с, замеренный при температуре 40°С.
13. Способ по и. 12, отличающийся тем, что применяют полимерный раствор с вязкостью от 50 до 150 Па-с.
14. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что раствор формуют с получением половолоконной мембраны и для инициирования коагуляции внутри половолоконной мембраны применяют внутреннее наполнение с вязкостью от 0,03 до 0,5 Па-с, замеренной при 25 °C, полые волокна пропускают через воздушный зазор, климатизированный водяным паром, и после этого для завершения коагуляции и фиксирования структуры полые волокна пропускают через осадительную ванну, предпочтительно нагретую водяную ванну.
15. Применение мембран по любому из пп.1-8 для процессов разделения в области нанофильтрации и в нижней области ультрафильтрации.
16. Применение мембран по и. 13 для гемодиализа, гемодиафильтрации и гемофильтрации.
17. Применение мембран по любому из пп.1-8 для заключения биологически активных веществ в капсулы.
18. Применение мембран по любому из пп.1-8 для заключения в капсулы для экстракорпорального или интеркорпорального лечения человека или животного.