FR2691077A1 - Membrane d'ultrafiltration, procédé pour son utilisation, procédé pour tester son intégrité et procédé pour sa fabrication. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé pour tester l'intégrité d'une membrane. Selon l'invention, on mouille totalement la membrane à tester au moyen d'un liquide mouillant initial qui peut totalement mouiller la membrane, on place un liquide de déplacement en contact avec une face de la membrane mouillée, on applique une pression accrue au liquide de déplacement et on mesure le débit et donc le volume total du liquide qui passe à travers la membrane en fonction de la pression appliquée, le liquide de déplacement étant immiscible avec le liquide mouillant et la tension interfaciale entre le liquide mouillant et le liquide de déplacement étant d'environ 10- 4 N/cm ou moins. L'invention s'applique notamment à l'ultrafiltration et à la diafiltration.

Description

Cette invention se rapporte au domaine des membranes de filtration en

général, et spécifiquement au domaine des membranes ultraporeuses, en

particulier des membranes d'ultrafiltration et de diafiltration.

L'ultrafiltration (UF) et la diafiltration (DF) sont des procédés de séparation par membrane due à la pression que l'on utilise pour séparer (par un mécanisme de tamisage) des macromolécules telles que de protéines de solutions contenant des solvants et des solutés de faible poids moléculaire Dans les procédés d'ultrafiltration et de diafiltration, on utilise des membranes similaires et identiques En UF, l'on n'ajoute pas de solvant additionnel (eau) à la solution qui est filtrée tandis que la filtration est en cours; en DF, du solvant additionnel est ajouté pendant la filtration Si une solution contient des macromolécules ayant des différences suffisamment grandes de taille, alors on

peut également utiliser (UF) ou (DF) pour fractionner ces macromolécules.

Le régime de filtration qui comprend UF ou DF repose sur le spectre des procédés de séparation par membrane due à la pression entre l'hyperfiltration (HF), que l'on connaît également sous le nom d'osmose inverse, du côté à pores fins et la microfiltration (MF) du côté à pores grossiers Le régime UF couvre

un diamètre des pores compris entre 0,001 et 0,02 jim ( 1-20 nm).

L'ultrafiltration est également décrite en termes des capacités de coupure de poids moléculaire (MWCO) de ses membranes Elle concerne des membranes

ayant une valeur de MWCO comprise entre environ 500 et plusieurs millions.

Des membranes UF asymétriques à peau intégrale sont préparées par un procédé généralisé connu comme inversion de phase o une solution d'un polymère multicomposant (sol) consistant (usuellement) en trois composants: polymères, solvants et formeur de pores (non solvant, agent gonflant ou faible solvant) est induite à se séparer en deux phases liquides mutuellement dispersées avant coagulation en un gel de membrane solide Pour effectuer la séparation en deux phases liquides mutuellement dispersées, la miscibilité du polymère dans le véhicule solvant est diminuée par l'une de ces techniques: 1) Evaporation du solvant (procédé à sec); 2) Echange du solvant par un non solvant (procédé mouillé); et

3) Diminution de la température de la solution (procédé thermique).

On connaît deux variétés générales de structure de membranes UF à inversion de phase à peau intégrale et asymétriques Le brevet US N' 3 615 024 est représentatif de la première variété, qui est la variété d'origine et qui est encore la plus couramment rencontrée de membrane d'ultrafiltration, consistant essentiellement en une bicouche ayant peau mince présentant ce qui a été appelé des fissures en forme de fentes ou crevasses, et une infrastructure épaisse

contenant une forte concentration d'intrusions ou macrovides en forme de doigt.

Les macrovides s'étendent souvent d'une surface à l'autre bien qu'ils soient quelquefois plus profondément enfouis dans la matrice De manière idéale, une peau intégrale couvre les macrovides mais, dans la pratique une partie de la peau au-dessus des macrovides est crevassée, ce qui rompt l'intégrité de la peau et permet le passage de grandes particules Ces membranes sont fournies à l'état mouillé avec un fluide supportant les pores car elles ne peuvent tolérer une pleine siccité sans perte grave de leur performance de filtration Des bactériostats qu'il faut laver de la membrane avant son utilisation, sont souvent présents dans les membranes qui sont fournies mouillés Certains fabricants indiquent dans leurs catalogues qu'une membrane est fournie "sèche" mais cependant ces membranes peuvent contenir des agents humectants comme du glycérol en tant que fluide supportant les pores Comme avec les bactériostats, les agents humectants doivent être éliminés de la membrane par imbibition, rinçage ou toute autre méthode qui ne permet jamais à la membrane d'être

totalement séchée.

Le second type de membrane d'ultrafiltration est représenté par celui obtenu selon les brevets US No 4 954 381 et 4 451 424, qui produisent des membranes UF à peau intégrale ayant des matrices sans vide en augmentant la viscosité de la solution à couler par l'addition d'additifs polymériques solubles dans l'eau qui améliorent la viscosité comme la polyvinylpyrrolidone (PVP) ou le polyéthylèneglycol (PEG) Ces membranes présentent une peau avec une distribution de taille des pores qui est trop large pour que leur intégrité soit testée à cause d'une perte par lixiviation des additifs polymériques pendant les étapes de précipitation et de lavage ainsi que pendant leur utilisation dans le procédé UF Ces membranes peuvent être fournies à l'état "sec" (c'est-à- dire sans liquide libre présent) mais elles contiennent de fortes concentrations de PVP ou PEG résiduels Des agents humectants tels que le glycérol, PVP, PEG et/ou l'eau et autres fluides mouillants peuvent servir d'agents plastifiants pour diminuer la friabilité Ces matériaux peuvent également servir de fluides supportant les pores qui, si on les enlève, mènent à des crevasses et autres défauts dans la peau de la membrane De plus, la taille des pores augmente avec le poids moléculaire (MW) de l'additif pouvant être extrait, lequel est à son tour en rapport avec la largeur de la

distribution de la taille des pores de ces membranes.

Bien qu'elles soient largement utilisées, les membranes d'ultrafiltraction sont reconnues comme souffrant d'inconvénients graves Par exemple, presque toutes les membranes d'ultrafiltration/diafiltration contiennent un agent humectant tel que du glycérol ou bien elles doivent être maintenues à un état mouillé en tout moment, même pendant l'expédition, parce que les propriétés de

filtration de la membrane sont instables étant donné la présence des défauts.

Quand l'agent humectant ou autre liquide de support est éliminé et que la membrane est séchée et remouillée, la performance est modifiée et la peau de la membrane se trouve crevassée et la membrane est inutilisable Cela signifie qu'en tant qu'issue pratique, toutes les membranes d'ultrafiltration/diafiltration doivent être expédiées avec une grande quantité d'un liquide mouillant, usuellement de l'eau, ce qui augmente les frais d'expédition Par ailleurs, la condition requise que la membrane soit maintenue à un état mouillé représente également une charge sensible pour les utilisateurs qui doivent s'assurer que la membrane ne pourra jamais sécher Le fait que les membranes soient constamment maintenues à un état mouillé signifie également que le risque de croissance bactérienne est présent, nécessitant alors qu'un bactériostat ou analogue soit présent dans la membrane mouillée Malheureusement, la présence d'un bactériostat introduit également le problème de contamination du courant du produit par la membrane, parce qu'une fois qu'un tel agent est

présent, il est difficile, sinon impossible, de l'éliminer.

Dans le cas de membranes contenant un agent humectant tel que le glycérol, la membrane doit être imbibée dans plusieurs changements d'eau ou autre solvant afin d'éliminer autant que possible de la matière étrangère Alors, quand la structure des pores est supportée par le solvant, l'échantillon ne doit

jamais pouvoir sécher.

Un autre problème important avec toutes les membranes actuellement disponibles d'ultrafiltration/diafiltration réside dans la présence de défauts importants dans la membrane De tels défauts comprennent des macrovides, des crevasses, des trous d'épingle et autres défauts et imperfections qui soit rompent la couche de peau ou mènent à une rupture de la membrane La présence de tels défauts signifie cependant que bien qu'une membrane donnée puisse être calibrée avec une élimination nominale qui pourrait indiquer, par exemple, que la membrane est capable déliminer des matières d'un poids moléculaire modéré (entre 1000 et 500 000) d'un liquide, la présence des défauts permet à une portion donnée des substances de passer à travers la membrane ce qui, bien entendu, n'est pas du tout souhaitable On sait que même de relativement grandes particules comme des sphères de latex passent à travers les défauts des

membranes UF.

La coupure de poids moléculaire est une expression des caractéristiques de rétention dune membrane en termes des molécules de tailles connues La rétention est couramment considérée comme la coupure de poids moléculaire à laquelle au moins 90 % des molécules sphériques non chargées de ce même poids moléculaire seront retenues par la membrane poreuse tandis que moins d'environ 50 % de ces molécules d'un poids moléculaire considérablement plus faible seront retenues Cependant, des molécules linéaires ayant des poids moléculaires plus importants que la coupure de poids moléculaire peuvent passer à travers la membrane parce que le diamètre effectif d'une molécule linéaire est plus petit que celui d'une molécule sphérique Les molécules linéaires peuvent s'approcher d'un pore de membrane "par l'extrémité" et s'infiltrer à travers le pore Cela peut se produire si une molécule linéaire à chaîne longue est alignée avec les lignes d'écoulement laminaire du fluide passant à travers la membrane D'autre part, des molécules chargées à plus faibles que la coupure de poids moléculaire, peuvent ne pas passer à travers la membrane du fait d'intéractions électrostatiques avec la membrane Dans des membranes d'ultrafiltration, la coupure de poids moléculaire est comprise entre environ 500 ou 1000 jusqu'à environ plusieurs millions, ce qui correspond à des

tailles des pores de 1 à 20 nm.

Bien qu'un nombre limité de membranes d'ultrafiltration ait été récemment introduit sous la forme de fibres creuses, avec des coupures nominales de poids moléculaire indiquées dans la plage de 1000 à plusieurs millions, lesquelles membranes peuvent être expédiées à l'état sec, ces membranes souffrent encore du problème très important de présenter des

défauts dans leur structure, ce qui ne leur donne qu'une valeur limitée.

Etant donné le grand nombre d'applications pour les membranes d'ultrafiltration, un effort considérable a été dépensé pour améliorer l'efficacité de telles membranes mais jusqu'à maintenant, avec un succès limité De nombreux articles et brevets ont été publiés concernant la fabrication de membranes d'ultrafiltration, certains les revendiquant comme étant "sans défaut" et certains les revendiquant comme étant séchables mais le fait reste qu'aucune membrane dultrafiltration n'a encore été produite qui soit à la fois séchable et

qui ne présente pas de défaut.

Les membranes d'ultrafiltration actuelles fonctionnent sur une base statistique c'est-à-dire que, étant donné que seule une faible portion du liquide qui est filtré traverse les défaut de la membrane, et que seule une portion de la totalité du liquide qui est filtré contient la matière à éliminer, la probabilité est que seule une faible quantité de la matière à éliminer passera à travers la membrane Cependant, si la matière qui est filtrée est, par exemple, une composition pharmaceutique et que la matière à éliminer est une bactérie, si les bactéries traversent la membrane, le patient rendu malade par l'utilisation du

produit contaminé ne se souciera pas beaucoup des probabilités.

De nouveau, le problème concernant les membranes d'ultrafiltration faites selon chacun des procédés de l'art antérieur est qu'elles ne peuvent être séchées sans un agent humectant supportant la structure des pores et/ou qu'elles ne sont pas exemptes des divers défauts décrits précédemment, ce qui ne leur

donne qu'une valeur limitée.

Par ailleurs, comme avec de nombreux procédés de fabrication de membranes, une prévisibilité absolue de la performance et de la qualité du produit fini n'est pas possible, une méthode pour tester l'intégrité de la membrane finie est nécessaire Malheureusement, il n'y a actuellement aucune façon utile de tester l'intégrité d'une membrane d'ultrafiltration et certainement aucune façon de le faire rapidement En ce qui concerne les membranes de microfiltration et autres types de moyens poreux de filtrage, les tests connus comme les méthodes du "point de bulle" (ASTM F 316-86) et KL (brevet n O 4 340 479) ont été employés depuis de nombreuses années pour caractériser la porisité de telles structures Cependant, étant donné les tailles extrêmement petites des pores que l'on rencontre dans les membranes d'ultrafiltration, ni le test KL ni le test du "point de bulle" ne peut s'appliquer avec succès Tandis que la taille des pores d'une membrane diminue, la pression requise pour effectuer un test du "point de bulle" ou KL augmente Sur une membrane d'ultrafiltration, de telles pressions de test écraseront ou endommageront autrement la membrane. Dans le cas de membranes d'ultrafiltration, en général, il y a une difficulté considérable pour observer et mesurer directement les pores et les tailles des pores, par exemple par microscopie électronique à balayage Il est devenu courant d'employer des valeurs de coupure de poids moléculaire comme on l'a décrit ci-dessus en tant que technique déductive et indirecte pour la détermination des tailles des pores En tant que proposition générale, le diamètre fonctionnel des pores est à peu près égal à la racine cubique du poids moléculaire de la plus grande molécule globulaire généralement sphérique, sans charge électrique, qui peut passer à la travers la membrane, tandis que, par convention, la taille de la plus petite de ces molécules qui est retenue à l'étendue requise de 90 % représente la coupure de poids moléculaire Ces déterminations sont bien connues de ceux qui sont dune compétence ordinaire Cependant, il est clair qu'un tel test ne donne que des approximations de la porosité réelle de toute structure donnée d'ultrafiltration et de plus, ce n'est pas un test qui peut être rapidement employé La mesure des coupures de poids moléculaire est également entâchée de complications telles que l'adsorption de la substance de test sur les surfaces de la membrane qui est accompagnée du bouchage de l'échantillon pendant le test Un test typique de coupure de poids moléculaire pourrait nécessiter des heures ou des même des jours d'accomplissement Au lieu de caractériser les membranes en terme d'un certain paramètre de test standard tel que KL ou la taille des pores, on cite généralement de larges plages de coupure de poids moléculaire dans les catalogues de produits et dans la

littérature technique.

Comme un test rapide et fiable pour évaluer l'intégrité, la coupure de poids moléculaire et la taille des pores des membranes d'ultrafiltration est une nécessité absolue pour la production fiable et constante de membranes UF/DF,

un grand besoin existe d'un tel test.

La présente invention prévoit, pour la première fois, des membranes dultrafiltration qui peuvent être séchées sans perte de ces propriétés d'ultrafiltration De telles membranes peuvent être sélectivement fabriquées pour avoir toute coupure nominale de poids moléculaire, entre environ 1000 daltons et environ 500 000 daltons De plus, des membranes ayant une coupure nominale de poids moléculaire de < 20 000 sont capables d'exclure des particules de latex monodispersées d'un diamètre de 0,02 Pm jusqu'à des coefficients de rejet de > 0,998 Les membranes avec des coupures nominales de poids moléculaire < 100 000 sont capables dexclure des particules de latex monodispersées de 40 nanomètres de diamètre, jusqu'à des coefficients de rejet de > 0,998 Des membranes avec des coupures nominales de poids moléculaire de < 500 000 permettent dexclure des particules monodispersées de latex de

0,1 gm de diamètre jusqu'à des coefficients de rejet de > 0,998.

Les membranes de la présente invention auront généralement une taille des pores d'environ 20 nm jusqu'à environ 1 nm Les membranes d'un intérêt particulier peuvent se composer de polyéthersulfone, polysulfone ou

polyarylsulfone modifiée ou non modifiée.

On prévoit également un procédé de filtration d'un fluide consistant à forcer ledit fluide à s'écouler à travers une telle membrane de filtration Un tel procédé peut comprendre la filtration de fluides pour enlever des protéines, par exemple, quand la membrane a une coupure de poids moléculaire comprise entre environ 1000 et environ 30 000 daltons La filtration des fluides pour enlever sélectivement des protéines ou des virus, par exemple du sang et du sérum du sang, est également possible, par exemple quand la membrane a une

coupure de poids moléculaire d'environ 500 000 daltons.

Une nouvelle méthode rapide est fiable pour déterminer la coupure de poids moléculaire et la taille nominale des pores de membranes UF/DF a également été maintenant découverte Le test présente une applicabilité particulière pour des membranes d'ultrafiltration et/ou diafiltration, bien que l'on puisse également l'utiliser pour tester des membranes de microfiltration Selon cette méthode, que l'on appelle la méthode KUF, la membrane à tester est d'abord totalement mouillée d'un liquide mouillant qui est capable de mouiller totalement la membrane; un liquide de déplacement, qui est immiscible avec le liquide utilisé pour mouiller la membrane est placé en contact avec le côté situé en amont de la membrane mouillée De la pression est alors appliquée au liquide de déplacement et ladite pression augmente au-delà du point o le liquide de déplacement commence à s'écouler à travers la membrane; et le débit du liquide qui passe à travers ladite membrane est mesuré en fonction de la pression appliquée; le liquide de déplacement est sensiblement insoluble dans le liquide mouillant et la tension interfaciale entre les deux liquides est d'environ 10-4 N/cm ou moins Un contrôle de la tension interfaciale à moins de 10-4 N/cm permet d'obtenir un déplacement du fluide à des pressions bien plus faibles que dans le cas de tests similaires normalement accomplis avec une interface eau/air (c'est-à-dire mesure par KL ou point de bulle) De plus, il est important que la tension interfaciale entre les deux liquides reste constante pendant le processus de test Un diagramme du débit du liquide de déplacement, par unité de surface de la membrane, à travers la membrane, en fonction de la pression appliquée peut être représenté et une ligne droite peut être tracée à travers la partie raide de la courbe résultante, en utilisant une analyse de régression, qui coupera l'axe horizontal à une valeur donnée de pression qui est alors considérée comme étant la valeur de KUF La figure 12 est une illustration d'une courbe idéalisée de KUF o la valeur de KUF ou pression caractéristique a été déterminée La ligne en trait plein représente la courbe obtenue en représentant le débit en fonction de la pression et la ligne en pointillé l'extrapolation de la partie raide de la courbe par rapport à l'axe de pression La valeur de KUF ou pression caractéristique est lue du graphique au point o la ligne en pointillé coupe l'axe de la pression et c'est une mesure de la coupure de poids moléculaire de la membrane. Les membranes de la présente invention peuvent être caractérisées comme ayant une valeur de KUF comprise entre environ 0,34 bar et environ 8,27 bars et de préférence entre environ 0,69 bar et environ 8,27 bars, que l'on détermine en utilisant le 1-butanol, saturé d'eau, en tant que liquide mouillant et de l'eau saturée de 1-butanol, en tant que liquide de déplacement Les phases immiscibles sont mutuellement saturées pour garantir que la tension interfaciale entre les liquides ne changera pas du fait de la dissolution d'une phase dans l'autre D'autre facteurs comme la température doivent également rester relativement constants pendant le processus de test afin d'éviter des

changements sensibles de la tension interfaciale entre les liquides immiscibles.

Plus particulièrement la membrane d'ultrafiltration-diafiltration de la présente invention est caractérisée en ce qu'elle est capable d'exclure des particules monodispersées de latex de 0,02 jim de diamètre et en ce qu'elle est capable d'être séchée sans perte de ces propriétés d'ultrafiltration et qui après avoir subi au moins une fois un cycle mouillé/sec, aura un débit KUF à 0,69 bar en utilisant du 1-butanol saturé d'eau en tant que liquide mouillant et de l'eau saturée de 1- butanol en tant que liquide de déplacement à température ambiante,

de moins de 538 cc/mn par m 2 de surface de la membrane.

Un procédé de fabrication d'une membrane d'ultrafiltration est prévu La méthode consiste à dissoudre une résine polymérique dans un support comprenant à la fois un solvant de la résine et un non solvant de la résine, o la résine est présente en une quantité comprise entre environ 15 et environ 20 % en poids et la quantité du non solvant est comprise entre environ 26 et environ 34 % de la solution,à mélanger rapidement la solution dans des conditions de fort cisaillement pour réduire ou éliminer la présence des particules de gel, à filtrer la solution pour éliminer toutes les particules de gel qui sont présentes,à dégazer la solution pour éliminer tout gaz entraîné, à couler ou à centrifuger la solution sur un support et à mettre la solution coulée ou centrifugée avec un bain de prise qui comprend à la fois un solvant et un non solvant de la résine, le rapport du

solvant ou non solvant étant compris entre environ 1,5:1 et environ 2:1.

Une méthode générale de fabrication de toute structure d'ultrafiltration ou membraneuse est également prévue o une solution initiale comprenant un soluté polymérique, son solvant, et facultivement un non solvant, est coulée ou extrudée dans un premier groupe de conditions de procédé, facultativement sur ou dans un bain de prise, contenant un non solvant du polymère et facultativement un solvant de celui-ci pour former une membrane souhaitée, en mouillant totalement une portion de la membrane à tester d'un liquide mouillant initial qui est capable de mouiller complètement la membrane, en plaçant un liquide de déplacement qui est immiscible avec le liquide mouillant en contact avec le côté amont de la membrane mouillée, en appliquant une pression croissante audit liquide de déplacement et en mesurant l'écoulement du liquide de déplacement qui passe à travers ladite membrane en fonction de la pression appliquée, o le liquide de déplacement est sensiblement insoluble dans le liquide mouillant et la tension interfaciale entre le liquide mouillant et le liquide de déplacement est de l'ordre de 10-4 N/cm ou moins, et en ajustant une ou plusieurs des variables qui suivent: ( 1) la composition de la solution initiale, ( 2) la composition du bain de prise, et ( 3) le taux auquel la résine à couler est mélangée, ( 4) la température de la solution à couler ou la température de

centrifugation, en réponse à ladite mesure.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails

et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description

explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'un appareil pour mesurer la valeur de KUF selon la présente invention; la figure 2 est un graphique montrant la correspondance entre la coupure de poids moléculaire et l'inverse des valeurs de KUF déterminées selon la présente invention; la figure 3 est un graphique montrant les diagrammes de KUF pour les Exemples 1 à 3 de la présente invention; la figure 4 est un graphique montrant les diagrammes de KUF pour les Exemples 4 à 6 de la présente invention; la figure 5 est un graphique montrant les diagrammes de KUF pour les Exemples 7 à 9 de la présente invention; la figure 6 est un graphique montrant les diagrammes de KUF pour les Exemples 10 à 12 de la présente invention; la figure 7 est un graphique montrant les diagrammes de KUF pour plusieurs membranes d'ultrafiltration du commerce; o la figure 8 est un graphique montrant la relation entre la concentration du non solvant dans le bain à couler et les valeurs résultantes de K Ujj des membranes; la figure 9 est un graphique montrant la relation entre irabsorbance de UV et la concentration en perles de latex à l'état monodispersé que l'on utilise pour déterminer le coefficient d'exclusion pour des membranes d'ultrafiltration selon la présente invention; la figure 10 est un groupe de graphiques de KUF pour une membrane de la présente invention, permettant de comparer les formes de la courbe de KIJF avant et après un cycle mouillé/sec; la figure 1 i est un groupe de graphiques de K Uj F pour une membrane UF du commerce, permettant de comparer les formes de la courbe de K Ujp avant et après un cycle mouillé/sec; et la figure 12 est un diagramme d'une courbe idéalisée de KUF illustrant la méthode par laquelle on détermine la valeur de K Uj F ou la pression caractéristique. En suivant les principes de la présente invention, il est possible de

produire des membranes d'ultrafiltration/diafiltration possédant les propriétés ci-

dessus décrites, ne présentant pas la plupart des défauts majeurs qui rompent la peau de la membrane Divers types de polymères comme polyéthersulfone, polysulfone, polyphénylsulfone et analogues peuvent être employés selon la présente invention Pour la briéveté, l'invention sera décrite en terme des polysulfones et polyéthersulfones aromatiques, en particulier ces dernières en comprenant que l'invention décrite dans la demande a une plus large application

à d'autres structures de membrane.

La résine du type polysulfone aromatique à utiliser pour former la membrane comprend des polysulfones aromatiques et des polyéthersulfones aromatiques, respectivement composées des unités récurrentes des formules

générales (J), (II) et (III).

(J

C o

-0 \/ S\

il (III) Plusieurs qualités courantes du commerce de polymères de polyaryléther, utiles pour la présente invention, sont illustrées par les formules suivantes:

CH 3 O

Udel (marque de Union Carbide) - Co i Il Victrex (marque de I C I) Radel (marque de Union Carbide) D'autres polyéthersulfones appropriées ainsi que leur préparation sont révélées dans "Synthesis of Poly(arylene sulphones) by Polycondensation of Arylsulphonyl Chlorides under Friedel-Crafts Conditions" par Cudby et autres, Polymer, 6 _, 589 ( 1965), "Structures of the Poly(diphenylene ether sulphones) Obtained by Polysulphonylation," par Cudby et autres, Polymer, 9, 265 ( 1965), dans le brevet britannique N O i 016 245 et les brevets US Nos 4 008 203,

4 105 636 et 4 108 837, tous étant incorporés ici à titre de référence.

Chacune de ces résines du type polysulfone, polyéthersulfone, et polyphénylsulfone aromatiques a de préférence un poids moléculaire moyen en

nombre de 20 000 à 100 000 et mieux d'environ 30 000 à 50 000.

SOLUTIONS A COULER

Le système solvant (véhicule) pour la résine, comme la

polyéthersulfone, comprend au moins un solvant et au moins un non solvant.

Des exemples de solvants appropriés comprennent DMF, DMAC, DMSO, NMP et formylpipéridine (FP) Les non solvants préférés sont l'acide propionique,

l'acide butyrique et l'acide isobutyrique.

La solution préférée à couler ou à centrifuger contiendra environ 15 à environ 20 % de résine, comme de la polyéthersulfone, mieux environ 16 à environ 19 et encore mieux environ 17 ou 18 % Par ailleurs, le rapport duil solvant au non solvant est de préférence compris entre 1,5 et environ 2 et mieux

entre environ 1,5 et environ 1,9 et il est usuellement d'environ 1,7.

Par ailleurs, il est très important que la solution à couler ne contienne pas de particules contaminantes comme des particules de gel et qu'elle ne contienne sensiblement pas de gaz dissous Ainsi, la solution doit être extrêmement bien mélangée, par exemple avec un mélangeur à fort cisaillement, être filtrée et dégazée avant de couler les membranes Le dégazage est important par le fait que si la solution n'est pas bien dégazée, cela donnera une membrane

ayant des défauts sensibles comme des trous d'épingle.

BAINS DE GELIFICATION DE LA MEMBRANE

Un bain de gélification est utilisé qui se compose d'un milieu non solvant contenant un non solvant et une quantité appréciable d'un solvant La taille des pores augmente tandis que la concentration du solvant dans le bain de gélification de la membrane augmente La composition du bain de gélification de la membrane varie avec la nature du solvant Usuellement, il y a environ 10 à environ 50 % du solvant dans le bain de gélification de la membrane, le reste étant du non solvant, de préférence de l'eau avec tout non solvant qui est employé dans la solution de la résine à couler, usuellement des acides monocarboxyliques 3 ou 4 atomes de carbone Pour les solvants diméthylacétamide ou N-méthylpyrrolidone, la concentration préférée du solvant est comprise entre 20 et environ 45 % Les solvants organiques sont les

additifs généralement préférés des bains de gélification des membranes.

AUTRES PARAMETRES DE COULEE

Avant de couler les membranes, il est préférable de filtrer la solution du polymère La filtration de la solution du polymère avant de couler réduit sensiblement les imperfections dans les films coulés La solution peut être filtrée par aspiration à travers une microfibre de verre, de l'acier inoxydable poreux ou bien tout autre matériau de filtrage puis on la fait passer à travers une ou plusieurs membranes ayant des pores de diamètres d'environ 5 microns Afin de permettre à la solution de passer à travers les membranes ayant la plus petite taille des pores à des débits acceptables, il est usuellement nécessaire d'appliquer de la pression La quantité de pression à appliquer dépendra de la viscosité de la solution et de la taille des pores de la membrane Il faut suffisamment de

pression pour forcer la solution à travers la membrane.

Un dégazage de la solution est important, comme on l'a précédemment

indiqué et il peut être accompli par l'utilisation de toute technique connue.

La solution est alors coulée sous la forme d'un film fluide et mince sur et/ou dans un substrat approprié (poreux ou non poreux) pour former une épaisseur totale de la membrane d'environ 25 à environ 250 pnm, de préférence d'environ 50 à environ 150 jlm Parmi les substrats poreux qui sont utiles pour cette invention, il y a les diverses étoffes non tissées et tissées qui sont similaires ou identiques à celles utilisées en osmore inverse et en ultrafiltration En plus de la configuration de feuille plate, les membranes de cette invention peuvent être préparées en une fibre creuse ou sous forme tubulaire et présenter des propriétés

similaires à celles décrites pour les feuilles plates.

A la suite de la gélification, la membrane est lavée pour la débarrasser

du solvant, en utilisant de l'eau, et elle est séchée.

La température de la solution à couler ou à centrifuger est généralement contrôlée entre environ la température ambiante et 850 C, de préférence entre 30 et 650 C et la température du liquide coagulant est généralement contrôlée à peu

près à la température ambiante.

CARACTERISATION GENERALE DES MEMBRANES

Les tailles des pores des membranes de la présente invention sont dans une étendue produisant des valeurs de coupure de poids moléculaire comprises entre environ 1000 et environ 500 000 daltons Les propriétés des membranes peuvent être déterminées par les propriétés spécifiques du système du polymère choisi employé, mais avec une sélection soignée et une bonne technique de traitement, il est possible d'obtenir des membranes d'ultrafîltration ayant des propriétés physiques et chimiques appropriées à une utilisation dans une grande

variété d'opérations dlultrafiltration et diafiltration.

Les membranes d'ultrafiltration de la présente invention sont particulièrement souhaitables pour une utilisation dans des applications de

diafiltration et d'ultrafiltration dans des systèmes biologiques.

Sans limiter la largeur de la présente invention et sans être lié à une théorie particulière, on pense que l'étroitresse de la distribution de taille des pores dans les membranes de la présente invention est due à un certain nombre de facteurs en rapport: 1) absence d'additifs polymériques extractibles; 2.) utilisation de véhicules solvants contenant de grandes entités de solvant; 3.) utilisation de solutions ayant une faible tolérance pour les non solvants; 4.) nucléation contrôlée de la solution par agitation à fort cisaillement, addition d'un non solvant et contrôle de la température; 5) élimination des amas de gel, de la solution, par filtration et mélange à fort cisaillement; 6.) gélification de la solution à couler dans un bain du non solvant qui contient une concentration appréciable du solvant; et 7.) aptitute à mesurer rapidement et avec précision la taille des pores d'ultrafiltration et l'intégrité de la membrane par la méthode KUF et à effectuer

des changements du procédé en réponse à ces mesures.

Les membranes d'ultrafiltration de la présente invention sont particulièrement souhaitables pour une utilisation pour les séparations moléculaires, dans des applications de diafiltration et d'ultrafiltration dans des

systèmes biologiques.

En suivant les principes de la présente invention, il est possible de

produire des membranes d'ultrafiltration/diafiltration possédant les propriétés ci-

dessus décrites Les membranes de la présente invention peuvent également être caractérisées par leur sensible liberté de défauts majeurs, comme des trous d'épingle ou des macrovides qui sont sous la forme d'intrusion en doigt qui s'étendent d'une surface de la membrane jusqu'à l'autre Dans certains modes de réalisation, les membranes peuvent également être caractérisées comme consistant essentiellement en deux couches, une peau mince avec une distribution étroite de taille des pores et une matrice sans macrovide et qui ressemble à une éponge épaisse Une troisième couche (transition) de densité intermédiaire peut également être trouvée entre les couches de peau et d'infrastructure.

NOUVELLE METHODE DE CARACTERISATION DE KJF

Comme on l'a précédemment décrit, il n'y a actuellement aucune méthode pour tester rapidement l'intégrité et la coupure de poids moléculaire dune membrane d'ultrafiltration Dans le cas des membranes d'ultrafiltration, un test est nécessaire qui puisse être réalisé aussi rapidement et avec la même fiabilité que les méthodes de test de KL et du point de bulle, s'appliquant à des membranes de microfiltration Le test du point de bulle d'une membrane de microfiltration est mesuré en mouillant totalement et complètement l'échantillon par un liquide puis en mettant le côté amont de la membrane sous pression au moyen d'air ou de toute autre substance gazeuse comme de l'azote Pendant le test du point de bulle, le côté aval de l'échantillon est observé visuellement et la pression du gaz en amont est lentement augmentée Quand la pression a suffisamment augmenté, on observe un courant de bulles qui traverse la membrane La pression à laquelle ce courant de bulle commence à s'écouler est connue comme le point initial de bulle Si la pression deair en amont est encore accrue, des aires additionnelles du filtre commencent à présenter des courants de bulles jusqu'à ce que tout l'échantillon semble mousser La pression à laquelle cela se produit est appelée "FAO" ou mousse partout L'importance de ces mesures repose sur la relation entre la taille des pores du filtre et la pression du point de bulle, qui est définie par l'équation de Laplace, A P= 4 y/D o A P = différence de pression à travers le milieu y = tension de surface du fluide mouillant

D = diamètre du capillaire ou pore.

Bien que les pores d'un filtre puissent être ou ne pas être de forme cylindrique, l'équation de Laplace offre la base théorique pour le test du point de bulle En effet, l'air ou le gaz exerce une force sur les pores ou capillaires qui sont remplis du liquide mouillant Quand la pression est suffisamment importante, le liquide est poussé vers l'extérieur et l'air S 'écoule librement à travers le pore mouillé du filtre L'écoulement d'air est observé en aval sous la forme d'un écoulement de bulles Comme on peut le voir de l'équation de Laplace, plus le diamètre du pore est petit, plus la pression requise pour déplacer le liquide du pore est importante De même, plus la tension de surface du fluide mouillant est importante, plus la pression requise pour déplacer le

liquide du pore est importante.

La pression du point de bulle initial est la pression à laquelle le courant de bulles est tout d'abord détecté et elle correspond ainsi à l'ouverture des plus grands pores de la membrane L'augmentation de la pression appliquée de l'air, après avoir observé le premier courant de bulles, force les liquides à être déplacés dans des pores progressivement de plus en plus petits Le point de mousse partout est observé quand la pression est suffisamment élevée pour

déplacer le liquide à la fois des plus grands pores et des plus petits pores.

Un raffinement à la méthode du point de bulle est décrit dans le brevet US 4 340 479 qui est incorporé à titre de référence et que l'on connaît comme la

mesure de KL.

KL est l'abréviation de "emplacement du genou", paramètre du comportement de la membrane qui désigne la taille nominale des pores des

membranes de microfiltration.

Dans la méthode KL, au lieu d'observer simplement le point auquel un courant de bulles commence à s'écouler à travers les milieux mouillés, le débit

d'air à travers l'échantillon mouillé est mesuré en aval en utilisant un débit-

mètre Cela permet d'obtenir des mesures quantitatives de l'écoulement d'air en fonction de la pression de lair La forme de la courbe est une indication de la largeur ou de l'étroitesse de la distribution des tailles des pores et la pression à laquelle l'inflexion de la courbe se produit (la valeur de KL) est fonction de la taille nominale des pores de la membrane Le test est effectué en mouillant la membrane d'un liquide puis en augmentant lentement la pression de l'air en amont de l'échantillon Une augmentation stable de l'écoulement d'air est mesurée en aval de l'échantillon mouillé tandis que la pression augmente Cela est dû à l'écoulement diffusif provoqué par la solubilité de l'air dans le fluide mouillant Enfin, quand le liquide commence à être déplacé des pores de la membrane, le débit d'air augmente rapidement du fait de l'écoulement en masse à travers les pores ouverts En représentant l'écoulement d'air/pression de l'air sur l'axe Y au lieu de représenter simplement l'écoulement d'air, on peut masquer la dépendance de la solubilité de l'air dans le fluide mouillant avec la pression Quand l'écoulement d'air ou de gaz à travers une membrane mouillée est représenté en fonction de l'augmentation de la pression appliquée, l'écoulement initial est purement diffusif et l'écoulement d'air par unité de pression appliquée reste presque constant, jusqu'à ce qu'un point soit atteint ou un très petit incrément de pression provoque une augmentation très brusque de l'écoulement, alors la courbe devient presque verticale La pression à laquelle cela se produit est désignée par KL pour la membrane La courbe de KL semble ainsi plate jusqurau point d'inflexion Des milieux à pores uniformes sont caractérisés par un changement brusque de la pente pour une course presque

verticale à des pressions au-delà de la valeur de KL.

Les techniques de déplacement de liquide par point de bulle et KL décrites ci-dessus sont utiles pour caractériser des membranes et autres matériaux de filtre ayant des tailles des pores pouvant descendre jusqu'aux environ de 0,05 pm de diamètre Bien que le test de KL soit une excellente façon de tester les membranes de microfiltration, un tel test ne fonctionnera pas pour les membranes d'ultrafiltration parce que la haute pression qui sera requise pour déplacer le fluide mouillant des ultrapores dans la membrane dultrafiltration comprimera ou écrasera la membrane Ainsi, malheureusement, il n'y a actuellement aucune bonne façon de tester l'intégrité d'une membrane

d'ultrafiltration et aucune façon rapide de le faire non plus.

Les mesures du type KL peuvent être effectuées sur des membranes ayant des tailles nominales des pores pouvant atteindre environ 0,05 Pum en utilisant des liquides mouillants à faible tension de surface comme l'alcool

éthylique avec une tension de surface liquide/air denviron 2,4 x 10-4 N/cm.

L'examen de l'équation de Laplace montre la dépendance de la pression de déplacement sur la tension de surface (y) Tandis que la tension de surface du fluide mouillant diminue, la pression requise pour déplacer le fluide dun capillaire ou pore diminue également Cependant, les tensions de surface air/liquide et vapeur/liquide sont trop élevées pour être utiles pour un test conventionnel du point de bulle ou de KL de membranes ayant des tailles très petites des pores Bien que certains fluorocarbones fluides aient des tensions de surface liquide/air comprises entre 1,2 et 1,8 x 10-4 N/cm, un tel niveau est

encore trop élevé pour présenter une utilisation.

En conjonction avec la présente invention, on prévoit une méthode pour caractériser les membranes La méthode consiste à mouiller totalement la membrane à tester avec un liquide mouillant initial qui est capable de mouiller complètement la membrane, à placer un liquide de déplacement en contact avec une face de la membrane mouillée, à appliquer une pression croissante audit liquide de déplacement, et à mesurer le débit du liquide qui passe à travers ladite membrane en fonction de la pression appliquée; o le liquide de déplacement est sensiblement insoluble dans le liquide mouillant et la tension interfaciale entre le liquide mouillant et le liquide de déplacement est aux environs de 10- 4 N/cm ou moins Cela permet l'élimination de la haute tension de surface à l'interface air/liquide formée pendant les tests conventionnels du point de bulle ou de KL Au contraire, une faible tension interfaciale à l'interface liquide/liquide est formée qui permet de diminuer les pressions de test de plusieurs centaines de bars Par exemple, on estime que les membranes d'ultrafiltration mouillées à l'eau nécessiteront des pressions conventionnelles de test de KL qui, selon la coupure nominale de poids moléculaire, pourraient être supérieures environ 340 bars En utilisant la méthode de test de KUF, les pressions de test peuvent être réduites jusqu'à moins d'environ 8,27 bars selon le

choix des fluides immiscibles.

Afin de décrire la nouvelle méthode de test de KUF, on utilisera le "fluide A" pour décrire le liquide avec lequel la membrane est mouillée (que l'on appellera également le "liquide mouillant") "Fluide B" (également appelé "liquide de déplacement") sera utilisé pour décrire le liquide qui est utilisé pour déplacer le fluide A des pores de la membrane Les fluides A et B doivent être

des liquides essentiellement immiscibles.

Le test est accompli en mouillant une membrane du fluide A qui doit être capable de mouiller complètement la membrane L'échantillon est alors assemblé dans un appareil de test o le fluide B contacte la face amont de la membrane mouillée du fluide A Le côté aval de l'appareil est connecté via un tube au bras latéral d'un ballon de filtration ou autre récipient approprié pouvant recueillir le fluide exprimé en aval de la membrane (voir figure 1) Le ballon à

bras latéral est bouché par un bouchon à un trou dans lequel est inséré un débit-

mètre Ainsi, tout fluide entrant dans le bras latéral du ballon de filtration commencera à remplir le ballon et à éventer l'air contenu dans le ballon à travers le débit-mètre Cet agencement permet la mesure du débit du fluide B à travers la membrane mouillée du fluide A par le moyen du taux auquel l'air est déplacé du ballon à bras latéral Le débit du fluide B pourrait être directement mesuré sous la forme d'un écoulement de liquide mais la réalisation d'une telle

technique de mesure sera inutilement plus compliquée.

Lorsque l'on effectue le test de KUF, la pression est appliquée au réservoir contenant le fluide B tandis que l'écoulement du fluide est surveillé en

aval de la membrane en utilisant le débit-mètre L'air ne sortira par le débit-

mètre que si le liquide est exprimé en aval de la membrane Le liquide ne peut pénétrer dans l'échantillon que si la pression appliquée au fluide B est suffisante pour déplacer le fluide A des pores de la membrane La pression requise pour déplacer le fluide A des pores de la membrane est fonction du diamètre des pores Par conséquent, la pression mesurée, requise pour établir l'écoulement de fluide à travers la membrane, dépend de la taille des pores et ainsi de la coupure de poids moléculaire de la membrane d'ultrafiltration Tandis que la pression appliquée au fluide B augmente, un écoulement est établi à travers une fraction croissante des plus petits pores de la membrane Si la distribution de taille des pores de la membrane est étroite, une petite augmentation de pression aura pour résultat une grande augmentation de l'écoulement du fluide B à travers la membrane Cela est mis en évidence par un point d'inflextion dans la courbe du débit en fonction de la pression A des pressions en dessous du point d'inflexion, la courbe est à la base horizontale à condition que la membrane ait des pores d'un diamètre relativement uniforme Quand la pression a été suffisamment accrue au-delà du point d'inflexion, le débit augmente rapidement et pour une membrane avec une distribution étroite de taille des pores, la courbe devient presque verticale Plus la distribution de taille des pores est étroite, plus la pente

de la portion verticale de la courbe est raide.

La pression nécessaire pour déplacer le fluide A de la membrane dépend de la tension interfaciale entre les fluides immiscibles A et B ainsi que du diamètre des pores de la membrane En choississant les fluides A et B de

manière que la tension interfaciale soit petite, par exemple le système 1-

butanol/eau avec une tension interfaciale d'environ 10-5 ou 2 x 10-5 N/cm, les pressions de test peuvent être maintenues relativement faibles même pour des membranes UF ayant des diamètres extrêmement petits des pores Enfin, en représentant la pression du fluide B en fonction de l'écoulement en aval, on obtient une courbe similaire à une courbe de KL Dans le processus de test, l'écoulement d'air éventé du ballon est mesuré en utilisant un débit-mètre ou un transducteur d'écoulement Toute méthode appropriée de mesure de

l'écoulement de fluide peut cependant être utilisée.

Des systèmes de fluide consistant en paires de liquides immiscibles o les deux fluides sont en contact l'un avec l'autre pour ainsi former une limite de phase entre les couches sont connus comme ayant de très faibles tensions interfaciales Les tensions interfaciales dans ce cas sont mesurées entre les phases liquides à la limite entre les deux liquides immiscibles Le tableau 1 donne une liste des tensions interfaciales pour plusieurs liquides organiques qui forment une limite de phases avec l'eau comme cela est rapporté dans le livre Interfacial Phenomena, 2 e édition de J T Davies et E K Rideal ( 1963) Au tableau 1 sont également indiquées les solubilités des divers composés dans l'eau, qui sont rapportées dans le Chemical Rubber Handbook (CRC), édition 1970.

TABLEAU 1

Bien que le Tableau 1 ne donne la liste que des liquides organiques et de l'eau, la méthode de test de KUF décrite ci-dessus peut être accomplie en

utilisant toute paire de liquides immiscibles.

Selon la méthode qui précède, le liquide mouillant peut être un simple composé liquide, comme l'alcool n-octylique et le liquide déplaçant peut également être un simple composé tel que l'eau qui est sensiblement insoluble dans l'alcool n-octylique Alternativement, le liquide mouillant peut être un

mélange à l'équilibre comprenant un premier composé liquide comme l'acool n-

butylique qui est saturé d'un second composé liquide comme l'eau Le second composé liquide, saturé du premier, est alors utilisé comme liquide de déplacement En ce qui concerne chaque mode de réalisation, le fait important est que la tension interfaciale entre les deux liquides reste relativement constante alors qu'on accomplit le test Il est ainsi recommandé que les phases soient stables dans leur composition c'est-à-dire que lorsque les phases sont en contact,

COMPOSE TENSION DE TEMP SOLUBILITE

SURFACE C (g/100 g H 20) INTERFACIALE N/cm éthyl éther 1,07 10-4 20 7,5 n-octanol 8,5 10-5 20 0,054 n-hexanol 6,8 10-5 25

0,6

aniline 5,85 10-5 20 n-pentano I 4,4 10-5 25

_________ _ 22 2,7

acétate d'éthyle 2,9 10-5 30

8,5

isobutanol 2,1 10-5 10 8,5

10,0

n-butanol 1,8 10-5 25

1,6 10-5 20

9,0

il ne se produise pas un flux net du fluide A à travers l'interface ni un flux net du fluide B à travers l'interface Ainsi, il n'y a aucune variation sensible de la solubilité du liquide de déplacement dans le liquide mouillant, laquelle pourrait

affecter les résultats.

Par ailleurs, il est important que la tension interfaciale entre le liquide mouillant et le liquide de déplacement ne dépasse pas environ 104 N/cm, de

préférence 2 x 10-5 N/cm et mieux 1,6 x 10-5 N/cm.

Dans la pratique, on effectue usuellement le test de KUF avec chacune

des phases immiscibles saturées du fluide dans lequel elle est en contact intime.

Par exemple, le Tableau 1 donne la solubilité du 1-butanol dans l'eau en tant que 9,0 g pour 100 g d'eau à 15 'C Comme une partie du 1-butanol se dissoudra dans l'eau, il est préférable que la phase d'eau soit saturée de n-butanol De

même, avec la phase du 1-butanol, il est préférable qu'elle soit saturée d'eau.

Des phases mutuellement saturées sont faciles à obtenir en secouant un mélange contenant des quantités suffisantes de chacun des fluides A et B dans un conteneur ou entonnoir de séparation Dans les tests et exemples décrits ici, la phase organique était dans chaque utilisée comme fluide A pour mouiller la membrane et le fluide B était la phase aqueuse Une extension évidente de la méthode consiste à inverser les fluides, c'est-à-dire à mouiller la membrane de la phase aqueuse et à mettre le côté amont de la membrane sous pression par la

phase organique.

Les figures 3 7 sont des diagrammes illustrant la courbe de KUF et la pression caractéristique de KUF que l'on obtient en suivant le processus de test qui vient d'être décrit La pression caractéristique de KUF de la membrane est obtenue en extrapolant une ligne le long de la portion raide de la courbe de test jusqu'à l'axe horizontal et en lisant la pression, de nouveau les figures ci-dessus mentionnées illustrant la méthode Alors, la pression caractéristique de KUF est une mesure de la coupure de poids moléculaire pour la membrane telle que définie à la figure 2, dont les détails concernant la production sont expliqués à

l'Exemple 14.

L'avantage de l'utilisation de la méthode KUF réside dans le fait que l'on peut rapidement caractériser des membranes dultrafiltration et microporeuses de presque toute taille de pore, grand ou extrêmement petit, en utilisant des pressions de test qui sont généralement inférieures à environ 8,27 bars et

souvent inférieures à 6,9 bars.

EXEMPLES

Exemples 1 9

On a utilisé un mélange de NN-diméthylacétamide (DMAC) et d'acide propionique ((PA) un rapport compris entre 1,5 et environ 2,0 parties de DMAC pour une partie de PA, pour dissoudre une résine de polyéthersulfone (Ultrason E 6010, BASF) à 17 % de solides, en poids La résine de polyéthersulfone a été combinée au système solvant DMAC/PA dans une bouilloire en résine chemisée d'eau et maintenue à une température constante de 50 'C tout en mélangeant pendant pas moins de 16 heures On a laissé la solution résultante refroidir à température ambiante, temps pendant lequel on l'a filtrée puis dégazée sous vide. Une quantité de la solution de résine, suffisante pour enduire un film ayant des dimensions grossièrement de 0,127 mm d'épaisseur sur 254 mm de long sur 203 mm de large, a été appliquée à une plaque en verre et on a étiré un film La plaque en verre contenant le film étiré a alors été immergée dans un bain de prise contenant un mélange de DMAC, de PA et d'eau Les compositions du bain étaient telles que le rapport de DMAC: PA soit le même dans le bain que dans la solution de résine à couler La concentration de l'eau dans les bains de prise a été changée entre 25 et 65 % en poids, les reste du bain étant composé de DMAC et PA Après prise de la membrane, on l'a enlevée du bain, on l'a lavée à l'eau et on l'a séchée dans un four à une température de 1000 C pendant environ 10 minutes Le Tableau 2 donne la liste d'un groupe de résines à couler et de compositions de bain ainsi que les pressions caractéristiques de KUF et les coupures de poids moléculaire pour des membranes préparées en utilisant les processus décrits ci-dessus Toutes les données de Kjj F apparaissant dans ce document ont été obtenues à température ambiante en utilisant du 1-butanol saturé d'eau comme fluide mouillant et de l'eau saturée de 1-butanol comme fluide de déplacement Les figures 3 à 5 sont des courbes de KUF mesurées pour chaque échantillon Comme on peut le voir par les courbes de KUF, pour toute composition particulière de résine à couler, la taille des pores de la membrane peut être changée en changeant la

concentration de l'eau dans le bain Cela est illustré à la figure 8.

En utilisant la méthode de test de KUF, on peut voir que les membranes de la présente invention, comme cela est illustré par les Exemples 1-9, avaient

des valeurs de KUF comprises entre environ 0,69 bars et environ 6,9 bars.

Exemples 10 12 Une solution de résine principale a été préparée en dissolvant de la résine de polyéthersulfone (Ultrason E 6010, BASF Corporation) à une concentration de 25,85 % de solides dans le diméthylacétamide ("DMAC") à une température de 650 C La solution de résine principale a alors été mélangée en conditions de fort cisaillement en utilisant un mélangeur Polytron du type PT 45/80 (Kinematica Gmb H, Suisse) distribué aux Etats-Unis par Brinkmann Instruments, Westbury, N Y 11590, pour rompre tous les gels de polymère non dissous en mélangeant pendant environ 1 minute à une vitesse élevée, temps pendant lequel la température de la résine principale a augmenté à environ

800 C.

On a transféré, dans un ballon chemisé, d'eau une certaine quantité de la solution de la résine principale, 393,2 g La température de la résine a été contrôlée dans le ballon à 650 C, temps pendant lequel on a ajouté171,6 g d'acide propionique, à la résine transférée, tout en mélangeant avec un agitateur du type à hélice Cela a donné une solution à couler contenant 18 % de résine de

polyéthersulfone, 51,6 % de DMAC et 30,4 % de PA.

On a laissé la solution ci-dessus se mélanger à 650 C pendant environ '/2 heure en utilisant l'agitateur du type à hélice On a alors laissé la solution à couler refroidir à 300 C pendant une période de 2 heures tout en mélangeant lentement La solution de la résine à couler a alors été enlevée du ballon chemisé et on l'a mélangée au moyen du mélangeur Polytron pendant environ secondes, temps pendant lequel la température a atteint 550 C La solution a alors été filtrée à travers une membrane en nylon de 5 Pm On a laissé la résine refroidir à température ambiante puis on l'a dégazée Des échantillons ont été coulés dans des bains de prise contenant 25, 45 et 65 % d'eau, le reste du bain se composant de DMAC et de PA à un rapport de 1,7 parties de DMAC, en poids, pour une partie de PA Le Tableau 3 donne le résumé des conditions de coulée et la figure 6 est un graphique des courbes résultantes de KUF pour les

membranes.

En changeant la concentration de la résine dans la solution à couler entre environ 15 % et 20 % de solides tout en maintenant le rapport de DMAC:PA entre 1,5 et 2 et en utilisant la méthode de test de KUF, on peut voir que les membranes de la présente invention ont des valeurs de KUF comprises entre environ 0,69 et 6,9 bars lorsqu'on les teste en utilisant du 1-butanol saturé d'eau comme fluide mouillant et de l'eau saturée de 1-butanol comme liquide de déplacement Un changement de la concentration d'eau dans le bain changera la taille des pores de la membrane et par conséquent la pression caractéristique de

KUF et la coupure de poids moléculaire de la membrane.

TABLEAU 2

Membranes UF coulées

Exemples 1-9

Paramètres solution àBain de coulée Paramètres couler membrane Exemple % % % % H 20 % % KUF MWCO Remarques PES DMAC PA DMAC PA (bars)

DMAC: PA = 1,7:1

1 17 52 31 65 22 13 4,35 18 K rapport solvant/non solvant solution coulée 2 17 52 31 45 35 20 2,76 45 K à température ambiante

3 17 52 31 25 47 28 1,52 106 K

DMAC: PA = 1,92:1

4 17 55 28 65 23 12 4,35 18 K rapport solvant/non solvant solution coulée 17 55 28 45 36 19 2,76 45 K à température ambiante

6 17 55 28 25 49 25 1,52 106 K

DMAC: PA = 1,5:1

7 17 50 33 59 25 16 3,17 36 K rapport solvant/non solvant solution coulée à 8 17 50 33 45 33 22 2,55 51 K température ambiante

9 17 50 33 25 45 30 1,59 100 K

"I "Il t N (O O- Pq O G' Zt-0 solduimox soo noo nfl sout:quo AI N 81 l t,' Z 9 OZ 81 Z 3 Xuelqvun om MnjdtuaoleX 07 L 6 'ZOZ s E i O ZS 81 1 oolnoo uolintos lut AIOS UOU/t Tu Al OS poddl?)106 ZL'I 8 Z Lb SZ O OE Z 81 O l I:L'I = Vd:D Vw A (s:mq)rva c DVKI OZH Vd DVIAIG sa I sonbammo X ODMN df 151 % % % % % %oldumox ouuqmom q o S lnoofl S no T soa:ioumxec op u mq sox tmu,d uopnlos so:lomuc I ú riv 9 li Elvi

EXEMPLE 13

Des échantillons de membrane dlultrafiltration du commerce, toutes ayant des coupures nominales de poids moléculaire à ou en dessous de 10 000, ont été comparées à une membrane de cette invention ayant une coupure nominale de poids moléculaire de 18 000 Les aptitudes des diverses membranes d'ultrafiltration à exclure des sphères monodispersées de latex d'un diamètre de 0,020 et 0,038 gm ont été comparées en utilisant le processus suivant L'aptitude à exclure de telles particules est comprises comme indiquant que cette exclusion est mesurée jusqu'aux limites de détection de la présente analyse d'environ 4,5 x 109 particules par ml pour un latex de 0,038 p m de diamètre et de 4,5 x 1010 particules par ml pour un latex de 0,02 pm Si l'on doit employer des techniques plus précises de mesure, et que cela montre que l'exclusion totale n'est pas obtenue, un tel fait ne modifiera pas la définition d'exclusion telle qu'utilisée dans la présente invention qui doit être comprise comme signifiant l'exclusion totale jusqu'aux limites de détection du processus

défini dans cet exemple.

Une solution d'un agent tensio actif Tween 20 a été préparée en

chauffant 500 ml d'eau désionisée à 60 'C et en ajoutant 0,5 m I de l'agent tensio-

actif Tween 20 tout en agitant pendant 10 minutes La solution a été refroidie et subséquemment utilisée comme milieu de dispersion pour les particules

monodispersées de latex.

Des perles monodispersées de latex de 0,02 p 1 m de diamètre ont été dispersées dans la solution de l'agent tensio-actif Tween 20 à une concentration de 0,01 % des solides du latex qui correspond à une concentration en nombre d'environ 2,3 x 1013 particules par ml Cette solution a été préparée en ajoutant 0,5 ml de 2 % de latex fourni par Duke Scientific, le distributeur, à 99,5 m I de la solution de l'agent tensio-actif Tween 20 tout en agitant Une dispersion similaire à 0,01 % de solides de latex a été préparée en utilisant des perles de latex de 0,038 gm de diamètre, fabriquées par Dow, puis la solution de l'agent tensio-actif Tween 20 Une dispersion à 0,01 % de latex de 0,038 pm correspond à une concentration en nombre d'environ 3,3 x 1012 particules par

ml de la dispersion.

Les membranes d'ultrafiltration ont alors été testées sous la forme de disques de 25 mm pour la pénétration des particules de latex à travers l'échantillon pendant des tests de filtration des dispersions à 0,01 % de latex On a également testé, à la manière décrite ci-dessous, un module en fibre creuse

fabriqué par A/G Technology Corporation.

Pour préparer des membranes du commerce pour le test, on a appliqué les instructions du fabricant concernant l'élimination de l'agent humectant avant l'usage de la membrane Cela consistait à tremper l'échantillon pendant une période d'environ 1 heure dans une solution de Tween 20 qui ne contenait pas de latex, temps pendant lequel le fluide a été changé 3 fois Le trempage des membranes de cette invention et du module de fibre creuse de A/G n'a pas été requis car ils ne contiennent pas d'humectant Les membranes ont alors été insérées dans un support en disque de 25 mm et une seringue de 5 cc a été remplie de la suspension à 0,01 % de latex Le fluide a été forcé à travers le filtre et recueilli dans des fioles en verre Dans le cas de l'échantillon de fibre creuse de A/G, le module a été testé avec la dispersion à 0,01 % de latex en

* utilisant le processus de test décrit par le fabricant dans la littérature du produit.

La concentration en nombre des particules de latex que l'on a trouvée dans les effluents a été déterminée en mesurant l'absorbance UV à une longueur d'onde de 250 nm relativement à une solution de Tween 20 sans latex La concentration de latex dans l'effluent a été déterminée à partir de la courbe de calibrage de la figure 9, o l'absorbance est représentée en fonction de la

concentration en nombre des particules de latex.

Les coefficients de rejet pour les particules de latex ont été déterminés en utilisant la formule suivante: Coefficient de rejet = 1 lF/Il o F = concentration en nombre des particules de latex détectées dans l'effluent I = concentration initiale en nombre des particules de latex avec

lesquelles le côté amont de la membrane a été mis en présence.

Des tests d'exclusion de latex ont également été effectués sur des échantillons qui avaient subit un cycle mouillé/sec avant mise présence des particules de latex Un cycle mouillé/sec consistait à faire passer de l'eau à travers la membrane, à sécher l'échantillon, à remouiller l'échantillon par de l'alcool éthylique, en rinçant de nouveau avec de l'eau à travers l'échantillon pour éliminer l'alcool et enfin en séchant Cela a été répété trois fois sur un certain nombre d'échantillons comme cela est indiqué au Tableau 5 et ensuite la membrane a été mise en présence du latex comme décrit précédemment Les

résultats des tests d'exclusion du latex sont contenus au Tableau 5.

Les résultats ci-dessus démontrent qu'aucune des membranes d'ultrafiltration du commerce n'est capable d'exclure des particules de 0,02 pm à l'exception de l'échantillon de millipore Cependant, l'échantillon de millipore ne peut retenir les particules de latex après cycle mouillé/sec comme cela est démontré par les résultats du tableau 5.

Tableau 5

Challenge Latex Type Echantillon NMCO Amicon PM 10 Filtron Oméga Millipore

PTGC 10

Millipore

PTGC 10

Millipore

PTGC 10

K K K K K Nombre de cycles mouillé/sec Diamètre Particules (am) 0,02 0,02 0,02 0,02 0,038

Concentra-

tion entrée No./ml

Concentra-

tion efflu-

ent No /ml Coefficient de rejet 2,3 x 1013 1,3 x 1012 0,94 2,3 x 1013 2,2 x 1012 0,90 2,3 x 1013 aucune détectée 2,3 x 10 13 2,1 xo 1013 3,3 x 11012 1,3 x 1012

> 0,998

0,09 0,61 2,3 x 1013 8,9 x 1011 0,96 2,3 x 1013 Aucune > 0,098 détectée K Fibre creuse AG

UFP-5-C-4

Membrane Pall de

l'Exemple

0,02 0,02 18 K Les résultats ci-dessus montrent clairement que les membranes de la présente invention peuvent subir des cycles mouillé/sec tout en conservant l'aptitude à exclure les particules de 0,02 pm Aucune des membranes d'ultrafiltration du commerce, y compris l'échantillon Millipore référenciel à l'Exemple 13 ci-dessus n'a pu exclure des particules de 0,02 Mm après cycles mouillé/sec des membranes En fait, on a pu montrer que la membrane millipore PTGC 10 laissait même passer les particules de 0,038 Mm après cycle mouillé/sec De plus, la plus grande partie des échantillons dont la liste est donnée au Tableau 5, à l'exception de PTGC 10 de Millipore et des membranes de la présente invention, ne peut exclure les particules de latex de 0,02 pm,

même lorsqu'elles n'ont pas subi du tout de cycle mouillé/sec.

Exemple 14

On a obtenu la figure 7 en mesurant les courbes de KUF pour une grande variété de membranes UF du commerce Les pressions caractéristiques de KUF de ces échantillons ont été déterminées à partir des courbes de la figure 7 en utilisant la méthode précédemment décrite Le Tableau 4 donne la liste des valeurs de KUF ainsi obtenues ainsi que des coupures nominales de poids moléculaire pour les membranes La figure 2 a été obtenue en prenant les données du Tableau 4 et en représentant la coupure de poids moléculaire en fonction de 1/KUF Comme on peut le voir du graphique, le résultat est une relation linéaire qui permet la détermination de la coupure de poids moléculaire en mesurant simplement la pression caractéristique de KUF de la membrane Le test de KUF représente ainsi une avance majeure des tests de caractérisation et

d'intégrité des membranes d'ultrafiltration.

Exemple 15 On a obtenu une courbe de KUF sur un échantillon préparé selon la présente invention en utilisant le processus décrit à l'Exemple 11 L'échantillon a subi un cycle mouillé/sec en utilisant la méthode du cycle mouillé/sec décrite à l'Exemple 13 De même, une membrane Filtron Omega avec une coupure nominale de poids moléculaire de 100 000, a subi le test de KUF avant et après un seul cycle mouillé/sec Les figures 10 et 11 sont les courbes résultantes de KUF L'examen de la figure 10 révèle que la courbe de KUF pour la membrane préparée comme dans le cas de la présente invention était essentiellement inchangé après un cycle mouillé/sec Dans le cas de la membrane Filtron Oméga, la figure 11 révèle qu'après un seul cycle mouillé/sec, la forme de la courbe a changé Le point dinflexion, qui détermine la coupure de poids moléculaire de la membrane, s'est décalé vers les plus basses pressions Cela indique qu'après le cycle mouillé/sec, la membrane a changé afin de permettre aux plus grandes particules de passer vers le bas En continuant à examiner les courbes de KUF de la figure 11 on peut voir que, à des pressions de test en dessous du point d'inflexion, il y a un débit important à travers la membrane, même avant cycle mouillé/sec Cela indique soit des défauts ou bien de grands pores qui permettent l'écoulement du fluide à de faibles pressions de test Le fait que les membranes UF du commerce laissent passer des nombres importants de particules monodispersées de latex, bien plus grandes que les molécules de protéine qu'ils sont considérés retenir, est en rapport avec les courbes de KUF de la figure 11 qui indiquent qu'une quantité importante d'écoulement se produit à

des pressions de test bien en dessous du point d'inflexion de la courbe de KUF.

Par ailleurs, les membranes décrites dans la présente invention ont des courbes de KU-F qui indiquent des débits extrêmement faibles à des pressions de test en dessous du point d'inflexion Un examen de la figure 10 révèle qu'à une pression de test de KUF de 0,69 bar, le débit à travers la membrane est presque indectable lorsqu'on utilise du 1-butanol saturé d'eau en tant que fluide mouillant et de l'eau saturée de 1-butanol en tant que fluide de déplacement Les membranes à coupure de poids moléculaire de 18 K de la présente invention sont également capables de retenir les particules de latex de 0,2 glm comme cela est démontré au Tableau 5, indiquant qu'elles ont de fortes coupures de poids moléculaire Contrairement, virtuellement la totalité des membranes d'ultrafiltration du commerce n'ont pu retenir des particules de latex ayant des diamètres de 0,020 et/ou 0,038 pim après trois cycles mouillé/sec et dans la

plupart des cas, même si elles n'ont pas eu de cycle mouillé/sec.

TABLEAU 4

KUF 1/KUF Coupure nominale Type membrane (bars) poids moléculaire (Daltons) 0,62 0,11 300000 Amicon 300 K 1, 59 0,04 100000 Filtron 100 l K 2,76 0,03 50000 Amicon 50 K 3,45 0,02 30000 Filtron 30 K 4,9 0,01 10000 Filtron 10 K

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 Membrane d'ultratfiltration/diafiltration caractérisée en ce qu'elle est capable d'exclure des particules monodispersées de latex de 0,02 tm de diamètre et elle est capable d'être séchée sans perte de ces propriétés d'ultrafiltration et qui, après cycle mouillé/sec au moins une fois, aura un débit KUF à 0,69 bar en utilisant du 1-butanol saturé d'eau en tant que liquide mouillant et de l'eau saturée de 1- butanol en tant que liquide de déplacement à température ambiante de moins de 538 cc/mn par m 2 de surface de la membrane. 2 Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une coupure nominale de poids moléculaire d'environ 1000 daltons à environ 20000 daltons.

3 Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une coupure nominale de poids moléculaire d'environ 20000 à 200000 daltons et elle est capable d'exclure des particules monodispersées de latex ayant plus

d'environ 40 nanomètres de diamètre.

4 Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une coupure nominale de poids moléculaire comprise entre environ 200000 et 500000 daltons et elles est capable d'exclure des particules monodispersées de

latex de plus d'environ 0,10 pm.

5 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4

caractérisée en ce qu'elle a une taille nominale des pores comprise entre environ

1 nm et environ 20 nnm.

6 Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est en polysulfone. 7 Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est en polyéthersulfone. 8 Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est en polyphénylsulfone. 9 Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle se compose de polyéthersulfone mélangée avec environ 1 à environ 50 % d'un

polymère compatible.

Procédé de filtration d'un fluide caractérisé en ce qu'il consiste à forcer ledit fluide à s'écouler à travers une membrane de filtration qui est capable d'exclure des particules monodispersées de latex de 0,02 Pm et qui est

capable d'être séchée sans perte de ses propriétés d'ultrafiltration.

34 - 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la filtration

élimine les protéines du fluide.

12 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la filtration

élimine les virus du sang ou d'un composant du sang.

13 Procédé pour tester l'intégrité d'une membrane selon la revendication 1 consistant à mouiller totalement la membrane à tester au moyen d'un liquide mouillant initial qui est capable de mouiller pleinement la membrane, à placer un liquide de déplacement en contact avec une face de la membrane mouillée, à appliquer une pression accrue audit liquide de déplacement et à mesurer le débit et par conséquent le volume total du liquide qui passe à travers ladite membrane en fonction de la pression appliquée; o le liquide de déplacement est immiscible avec le liquide mouillant et la tension interfaciale entre le liquide mouillant et liquide de déplacement est d'environ

-4 N/cm ou moins.

14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la valeur de KUF est déterminée en traçant le diagramme du débit du liquide par unité de surface de la membrane, à travers la membrane, en fonction de la pression appliquée, en traçant une ligne droite à travers la partie raide de la courbe résultante, en utilisant une analyse de régression et en déterminant le point d'intersection de la ligne avec l'axe horizontal à une valeur de pression donnée

qui est alors la valeur de KUF.

Membrane d'ultrafiltration/diafilration selon la revendication 1, ayant de plus une valeur KUF comprise entre environ 0,34 bar et environ 8,27 bars, de préférence entre environ 0,69 bar et environ 8,27 bars, déterminée en utilisant du 1-butanol, saturé d'eau, comme liquide mouillant, et de l'eau,

saturée avec du 1-butanol comme liquide de déplacement.

16 Procédé de fabrication d'une membrane d'ultrafiltrationldiafiltration selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à dissoudre une résine polymérique dans un support comprenant à la fois un solvant de la résine et un non solvant de la résine, o ladite résine est présente en une quantité comprise entre environ 15 et environ 20 % en poids et la quantité du non solvant est comprise entre environ 30 et environ 34 % de la solution, à mélanger rapidement la solution pour réduire ou éliminer la présence des particules de gel, à filtrer la solution pour éliminer toutes les particules de gel qui sont présentes, à dégazer la solution pour éliminer tout gaz entraîné, à couler ou à centrifuger la solution sur un support et à mettre la solution coulée ou centrifugée résultante en contact avec un bain de prise qui contient à la fois un -35 - solvant et un non solvant de la résine, le rapport du solvant au non solvant

étant compris entre environ 1,5 et environ 2.

17 Procédé de fabrication d'une structure de membrane d'ultrafiltration/diafilration ou microporeuse selon la revendication 1 du type o une solution initiale comprenant un soluté polymérique, son solvant et facultativement un non solvant est coulée ou centrifugée dans un premier groupe de conditions de procédé facultativement sur ou dans un bain de prise, contenant un non solvant du polymère, et optionnellement son solvant pour former une membrane souhaitée, caractérisé en ce qu'on mouille complètement une portion de la membrane à tester avec un liquide mouillant initial qui est capable de mouiller complètement la membrane, on place un liquide de déplacement en contact avec une face de la membrane mouillée, on applique une pression accrue audit liquide de déplacement et on mesure le débit de liquide qui passe à travers ladite membrane en fonction de la pression appliquée, o le liquide de déplacement est sensiblement insoluble dans le liquide mouillant et la tension interfaciale entre le liquide mouillant et le liquide de déplacement est d'environ 10-4 N/cm ou moins et on ajuste une ou plusieurs des variables du procédé suivantes: ( 1) la composition de la solution initiale, ( 2) la composition du bain de prise, ( 3) la vitesse à laquelle la résine à couler est mélangée, et ( 4) la température de coulée ou la température de centrifugation, en

réponse à ladite mesure.

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