JP2008155079A - 中空糸膜を利用した孔拡散型膜分離システム - Google Patents

Abstract

【課題】
中空糸膜を孔拡散型膜分離システムへ適用した膜分離システムを展供する。
【解決手段】
濃縮工程を孔拡散型中空糸膜分離装置の前に設け、該装置内に特定された平均孔径、空孔率、膜厚を持つ中空糸膜を採用し、間欠運転するか、あるいは一本の中空糸膜の中空部を流れる液体の速度ｉ（ｍℓ／秒）が下記条件を満足する孔拡散型膜分離システム。
ｉ＜（π／１２８ηl）（１０^３ｄ^４）、lは糸長、ｄは内径、ηは液体の粘度
【選択図】 図１

Description

本発明は液体中に分散または溶解している微粒子や高分子・分子会合体などをほぼ完全に除去し、目的物質を回収する分離システムに関する。より詳しくは液体中に分散している微粒子や微生物をふるい機構で除去し、多孔性の中空糸膜中の孔を通した物質の拡散（これを以下、孔拡散と略称）により分離精製する膜分離システムに関する。

従来の多孔膜を利用した膜分離システムは膜間差圧を物質移動の駆動力とする膜濾過システムが中心であった。濾過では液体（液体中に溶解および分散した成分と溶媒とが一体化した集合体として取り扱われる流体の意味としての液体）として多孔膜中の孔に流入するので、孔には分散した粒子等が目詰りし、膜表面では膜中に流入する速度が遅くなった成分の濃度が高くなる濃度分極が起る。そのため膜としての処理能力は低下する。膜濾過では、膜としての十分な濾過速度が保持されているまでの濾過量（これを濾過容量という）は平均孔径と共に大幅に増加する。産業用に利用可能な膜として十分な濾過容量が不可欠なため、現在では微粒子除去用膜として平均孔径１５ｎｍ以上の膜しか一般的には市販されていない。これ以下の膜では微粒子除去用の膜でなく限外濾過膜あるいは逆滲透圧用膜として液中の溶解成分の分離に利用されている。

膜分離システムはバイオテクノロジ分野特にバイオ医薬品の製造や食品分野での精製工程で最近は多く利用されている。多孔膜を用いた濾過による感染性粒子（ウィルス、細菌など）の除去によるバイオ医薬品の安全性が高まる。膜濾過であるため精製工程での最終工程に近い精製された液体の処理に利用される。すなわち微粒子除去のための多孔膜を利用した膜分離システムでは、清浄な液体中から、濾過によりふるい効果を利用した除去機構を例外なく採用している。

本発明中の膜分離システムとは（１）膜の表裏面間の圧力差（＝膜間差圧）を物質輸送の駆動力として、液体の体積流れを起こして、膜の孔径と分散粒子の粒子径との関係で粒子を補捉除去する膜濾過を中心とする分離システムと、（２）膜を介した２種の液体間での濃度差を物質移動の駆動力とし、液体の体積流れは起らず、分子の持つ熱運動性（いわゆるブラウン運動）の活発度の差を利用した物質分離する孔拡散型分離システム（非特許文献１、特許文献１）と、（３）半透膜をへだてた濃度差を物質移動の駆動力として、膜と物質との間での親和力（吸着性、溶解性）による膜表面の物質の濃度の変化および膜を構成する素材高分子の熱運動性（ミクロブラウン運動）で生じる自由体積の空間部の大きさと物質の分子の大きさとの差で分子分離する拡散透析型分離システムとを意味する。

膜分離システムで採用される膜の形態としては中空糸膜と平膜とに大別される。膜濾過では膜間差圧を負荷することが不可欠であるため、中空糸膜では膜の支持体は不要であるが平膜では膜を支持するための支持体が必要である。ただし、中空糸膜を用いた膜分離機として容器と中空糸膜とが一体化しているため、膜を単独に取り替えることはできず容器ごとの取替えとなる。一方、平膜の膜分離機では膜面積当りの体積が大で、充填液量が大きくなるという問題点を持つが、膜のみの取り替えが可能であるため膜分離コストを低下させることが可能である。平膜を利用した孔拡散方式では膜間差圧は零であるため支持体を必要としないため（特許文献１）支持体が不要となる。しかし従来の市販の中空糸膜では中空部に液体を流すために中空部に圧力勾配が不可欠で、そのため濾過が起り、孔拡散方式は採用出来ない。

バイオテクノロジーを用いた医薬品の製造工程、あるいは食品工程での生物資源からの産生物中の有効成分の濃度を高める必要がある。この場合の濃縮には６０℃以上の高温での加熱はさけなくてはならない。たとえば加熱蒸発による濃縮は生理活性物質等の不活化やたんぱく質の変化が起り利用できない。凍結乾燥法により固体状にまで濃縮可能であるかその後の工程で再び溶解しなくてはならない場合は、この方法での濃縮は採用されない。そのため減圧蒸留や凍結法あるいは膜濃縮法が利用されている。膜濃縮法として単なる濾過、あるいはパーベーパレーション法が利用される。膜濃縮法を孔拡散型分離システムの後工程に適用して、孔拡散型分離の欠点である濃度低下を防止する技術の提案がなされている。（特許文献１）

真鍋征一、藤岡留美子、金井明子、福岡女子大学人間環境学部紀要、２９巻、３１−３６頁（１９９７） 特許公開２００５−３４９２６８

孔拡散型分離システム用には現在平膜のみが利用しているが、平膜のかわりに中空糸膜が適用できれば分離システムとして小型化が可能となる。しかし市販の中空糸膜モジュールを孔拡散型分離システムへ従来の濾過条件では圧力が発生してそのままでは適用できない。適用を可能にする運転条件を明確にして、中空糸膜を利用した孔拡散型膜分離システムを本発明では提供する。

中空糸膜を利用した孔拡散型膜分離システムでは、孔拡散型膜分離システムで予想される問題点、すなわち拡散液中の目的物質の濃度低下と回収率を８０％以上にするのがむつかしいこと、拡散速度が小さいという問題点、を解消する必要がある。また拡散液中には感染性微粒子などの微粒子がほぼ完全に除去されていることがバイオ医薬品等の製造工程に適用する場合必要な要件である。

上記の課題は以下のようにして解決される。すなわち、濃縮工程の後工程に孔拡散型膜分離装置を設け、該膜分離装置は平均孔径５ｎｍ以上１００ｎｍ以下で空孔率５０％以上で８５％以下、膜厚１０μｍ以上で２００μｍ以下の中空糸膜で構成され、かつ運転条件として、膜間差圧を事実上零とし、（１）中空部を流れる液体の速度を一定期間事実上零とし、その後中空部内に滞留している液体を外系へ流出される間欠運転をするか、あるいは（２）中空部を流れる液体の速度ｉ（ミリリットル／秒）が下記の条件を満足するような定常運転することを特徴とする中空糸膜を利用した孔拡散型膜分離システムである。
ｉ＜（π／１２８ηl）（１０^３ｄ^４）
ここでｄは中空糸膜の内径（単位はｃｍ）、lは糸長（ｃｍ）、ηは中空部を流れる液体の粘度（ｇ.ｃｍ／秒）である。

本発明の第１の特徴は孔拡散型膜分離装置の前の工程に濃縮工程を設ける点にある。孔拡散型膜分離装置に入る液体中の目的物質の濃度が高ければ高いほど該膜分離装置による目的物質の拡散速度が早くなり、また回収率も高まりかつ拡散液中の目的物質濃度を高めることが可能となる。従来の孔拡散型分離システムでは拡散液中の物質濃度を上げるために該システムの後の工程で濃縮工程を入れることが提案された（特許文献１）。この組み合わせは拡散液中には微粒子が残存していない場合にはその液の濾過においても目詰りが起こらない実験事実にもとずいている。本発明のように濃縮工程を孔拡散型分離システムの前工程に設定することにより上述の効果が初めて現われる。

濃縮工程として膜濃縮法が利用できる。平均孔径５ｎｍ以下の再生セルロース膜がタンパク系の物質を濃縮するのに適するので、バイオ医薬品の製造工程に適用するのに適する。膜濃縮法としては膜間差圧としては表面は１気圧以上の加圧状態にして、裏面は減圧状態にすると濾過とバーベバレーションとによって主として水分を除去することが可能となり、単なる濾過より濃縮効率が１,５倍程度になる。濃縮用溶液は膜表面に平行に流動状態下で濾過される。平均孔径が５ｎｍを超えると分子量５００００以上のたんぱく質の回収率が低下する。平均孔径が１〜２ｎｍの再生セルロース膜がバイオ医薬品製造工程に適する。

本発明の第２の特徴は孔拡散型膜分離装置を採用している点にある。孔拡散を利用すると原理上膜間差圧では零でも良いため膜に対する力学的性質への要求機能は低レベルで良い。孔拡散では物質のブラウン運動の活発度によってその拡散係数は主として支配されているため、拡散速度は膜の平均孔径にほとんど依存しない。拡散係数は膜の空孔率に比例する。ただし微粒子除去性能は孔径と粒子径との関係のみで定まるふるい効果によって主として決定される。すなわち孔拡散型膜分離では微粒子除去はふるい効果とブラウン運動の活発度の差によって決定される。すなわち除去性能に関しては予測性と再現性を持つ。物質の分離性能は粒子径（または分子量）にのみ依存する。また孔拡散では膜内部の孔の目詰りは起こらない。

本発明の第３の特徴は特定された膜特性を持つ中空糸膜を孔拡散型膜分離装置に利用している点にある。孔拡散型膜分離装置には通常平膜が採用され、中空糸膜は不適と考えられていた。その理由は中空糸膜の中空部に流体を流すためには中空部の入り口と出口との間に圧力差が必要で、この圧力によって膜間差圧が発生し濾過が起き、濾過によって孔の目詰りが起り孔拡散の特徴が消失するからである。

濾過による物質移動を孔拡散による物質移動の１／２０以下におさえることによって、孔拡散の特徴（孔の目詰りを極少化、分子量または粒子径に依存した拡散速度、膜の支持体不要）は維持されることが実験的に明らかになった。濾過に対して優位なこれらの特徴を実際のバイオ医薬品製造の場で生かすには、中空糸膜の平均孔径５ｎｍ以上１００ｎｍ以下で空孔率５０％以上で８５％以下、膜厚１０μｍ以上で２００μｍ以下であることが、後述する運動条件の関連も含めて重要である。

中空糸膜の平均孔径が５〜３０ｎｍで空孔率が６０％であれば孔拡散と濾過との物質移動速度比は分子量１０００の分子では１／５以上にすることは容易である。粒子径が２０ｎｍ以上の微粒子（例えばウイルス）の濃度を孔拡散で１万分の１以下にすることも容易である。平均孔径５ｎｍ未満では水溶液中のタンパク等の有用物質の膜中の拡散速度が低下し、産業用分離膜としての実用性は低下する。分子の大きさと平均孔径との比が１／２以上になるとふるい効果が現われる。平均孔径が３０ｎｍを越えて１００ｎｍ以下であれば粒子径が７０ｎｍ以上の微粒子（例えば大型のウイルスや細菌の濃度を１万分の１以下にすることは容易である。平均孔径が１００ｎｍ以上では孔拡散の濾過に対する優位性がほとんどない。平均孔径は水の濾過速度で評価した値である。

中空糸膜の空孔率は５０％以上で８５％以下、膜厚は１０μｍ以上で２００μｍ以下にすることによって孔拡散の特徴を生かすことができる。すなわち物質の膜中の拡散速度は空孔率に比例する。したがって空孔率は高ければ高いほど望ましいが、空孔率が８５％を越えると微粒子の除去性能が低下する。微粒子の除去性能を高く保持するには膜厚を厚くする必要があるが膜厚を大きくすると膜中の拡散速度が減少する。空孔率と膜厚との関係は、空孔率が小さいときは膜厚は薄く、空孔率が大きいときは膜厚は大きくすることが必要な関係が一般的である。

本発明の第４の特徴は特定された孔拡散型膜分離装置の運転条件を選定する点にある。特に中空糸膜の内径（ｄで表示、単位ｃｍ）が０．０２ｃｍ以下であれば中空糸膜の長さ方向での中間点での膜間差圧を事実上零にし、中空部を流れる液体の速度を一定期間事実上零とし、その後中空部内の液体を外系へ流出させるいわゆる間欠運転する。この運転方式で中空糸膜の入口と出口とで生じる圧力差に原因した膜濾過の寄与を無視できる程度にさげることが可能となる。

中空糸膜の内径が０．０２ｃｍを超えた場合には、長さｌ中空糸膜の中間点での膜間差圧を事実上零にし、１本の中空糸膜の中空部を流れる液体の速度（ｉで表示、単位ミリリットル／秒）が下記（１）式の条件を満足ように運転条件を設定することによって孔拡散が支配的な物質の輸送が実現し孔の目詰りが進行しない。
ｉ＜（π／１２８ηl）（１０^３ｄ^４） （１）
（１）式を満足するｉの条件で装置（モジュール）当りの中空糸膜の本数をｎとすると装置内の流速はｎｉとなる。

中空糸膜の内径が０．４ｃｍ以上で、しかも中空糸膜の素材が再生セルロー
スであれば膜間差圧が零の条件下でｉの値の制限を考慮することなく孔拡散の特徴をバイオ医薬品製造工程中で示すことが可能となる。素材を再生セルロースにすることにより吸着による目詰りを防止することができる。内径を０．４ｃｍ以上になると水溶液を中空糸膜内部に流入しても、中空糸膜の長さは通常１ｍ以内であれば濾過による物質移動量は孔拡散のそれと比較して無視できる。中空糸膜の平均孔径が小さいほどこの傾向はより顕著である。

本発明によって従来一般産業向けへの適用がむつかしいと考えられていた中空糸膜の孔拡散型膜分離装置が実現され、かつ孔拡散型膜分離装置の欠点（拡散液中の目的物質濃度が薄まる。回収率が低い、拡散速度が小さい）がすべて解消される。さらに孔拡散型膜分離装置の特徴（高い微粒子除去性能、孔の目詰りが起らない、膜の支持体不要、分離対象液の清浄度不要、分子量差にもとずく物質分離が可能）がそのまま保持される。

図１に本発明を実施するための膜濃縮部（図中Ａ）と孔拡散型膜分離装置部（図中Ｂ）で構成される膜分離システムの概略図を示す。バイオリアクターより流出した溶液（図中Ｓｏｌｎ．１）はポンプＰによって加圧状態（圧力P１）で膜濃縮部に輸送される。平均孔径１．５ｎｍの再生セルロース膜（図中Ｍ１）による濾過により主として水分は濾液７´となり除去される。濾液側の圧力Ｐ２は真空ライン９により減圧状態にある。濾液７´はウイルス除去フィルター（Ｍ_２）によりウイルス除去後の濾液７となり、濾液７は取出口８を持つ容器内に保存される。

膜濃縮部で３〜１０倍に濃縮された溶液はバルブｖによって圧力がほとんど零で孔拡散型膜分離装置（Ｂ）を構成する中空糸膜の中空部１に流入する。中空糸膜の外部２には水または濃縮工程中で得られた濾液７が連動ポンプ４によって一定速度で流れている。連動ポンプは外部２に流入する液体の速度と拡散後に流出する溶液（図中矢印６）の速度が著しく設計される。中空部より流出した溶液Ｓｏｌｎ２は再びＳｏｌｎ１となり糸内を循環したり一部は糸外へ排出される。

図１中の濃縮用の膜Ｍ_１として再生セルロース平膜（水の濾過速度法で決定した平均孔径１，４ｎｍ、膨潤法での空孔率３５％、膜厚２０μｍ）を用いた。ウイルス除去用膜Ｍ_２として下記の方法で調整した再生セルロース膜を使用した。平均置換度２．５０の酢酸セルロース（平均重合度２１０）を濃度８．５重量％、アセトン５０重量％、メタノール６．５重量％、ＣａＣｌ_２、２Ｈ_２Ｏを１．２重量％、シクロヘキサノール３３．８重量％で溶解した。この溶液を流延し、ミクロ相分離を起こさせ、メタノールに浸漬し、純水で酢酸セルロース以外の成分を洗浄除去した。除去後苛性ソーダを用いケン化反応をさせ、再生セルロース多孔膜を得た。該多孔膜の膜厚は１９０μｍ，平均孔径２５ｎｍ，空孔率０．８５であった。膜の有効濾過面積を０．１ｍ^２に設定した。

図１中の孔拡散型膜分離装置（Ｂ）を構成する再生セルロース中空糸膜の内径が０．０３５ｃｍ、平均孔径３５ｎｍ、空孔率６２％、膜厚３５μｍ、中空糸長７．８ｃｍであった。中空糸本数３５０本を図１の構成図のように設置する。温度２５℃でＰ_１＝１５０ｍｍＨｇ、Ｐ_２＝−６４０ｍｍＨｇで市販の牛乳を１０倍量の水で稀釈した溶液をＳｏｌｎ１とした。Ｓｏｌｎ１を 液ポンプＰでかんけつ的に流し、平均流入速度として４４ミリリットル／分とする。４ミリリットル／分の速度で透明な濾液が回収された。濾液中は分子量２０００以下のペプチドの存在が確認された。連動ポンプ（図１中の４）で０．０５ｍℓ／秒の速度で純水を中空糸膜の外を壁部２に流す。バルブｖを開き濃縮液を大気圧で中空糸膜の中空部を流し拡散後の残液をＳｏｌｎ２として回収した。平均回収速度は４ミリリットル／分であった。

図１中の矢印６で示される拡散液中のアルブミン濃度はＳｏｌｎ１中のアルブミン濃度にほぼ等しく、Ｓｏｌｎ２中のアルブミン濃度はＳｏｌｎ中のそれの約９倍であった。Ｓｏｌｎ２をＳｏｌｎ１に還流させることによってアルブミンの回収率は原理上（定常状態で）１００％となる。拡散液中には粒子成分は存在せず、また拡散直後にはアルブミン分子の会合体も存在しなかった。

本発明のシステムはバイオ医薬品の製造工程での感染性微粒子除去に最適である。すなわち精製工程中の上流側で適用することが可能である。その他食品工業、バイオマス産業、リサイクルや環境対策などの環境産業にも利用できる。ナノテクノロジーで産生する微粒子の精製、濃度制御にも利用される

：本発明膜分離システムの概略図

符号の説明

Ａ；膜濃縮装置
Ｂ；孔拡散型中空糸膜装置
Ｓｏｌｎ．１；溶液１
Ｓｏｌｎ．２；溶液２
Ｐ；ポンプ
Ｇ；圧力ゲージ
Ｍ_１；膜濃縮用膜
Ｍ_２；ウィルス除去用膜
Ｐ_１；加圧側圧力（大気圧以上）
Ｐ_２；減圧側圧力（大気圧以下）
Ｉ．Ｔ．；完全性試験用溶液
ｖ；流量調節バルブ
１；中空糸膜の中空部
２；中空糸膜外壁側空間部
３；中空糸膜膜壁
４；連動型送液ポンプ
５；大気圧へのリーク出口
６；拡散液流出流れ
７；ウィルス除去後濾液
７´；濾液
８；ウィルス除去後濾液排出口

Claims (3)

1. 濃縮工程の後工程に孔拡散型膜分離装置を設け、該膜分離装置は平均孔径５ｎｍ以上１００ｎｍ以下で空孔率５０％以上で８５％以下、膜厚１０ミクロンメートル以上で２００ミクロンメートル以下の中空糸膜で構成され、かつ運転条件として膜間差圧を事実上零とし、中空部を流れる液体の速度を一定期間事実上零としその後中空部内の液体を外系へ流出させるいわゆる間欠運転をするか、あるいは該中空糸膜内外の圧力差を発生させることなく一本の中空糸膜の中空部を流れる液体の速度ｉ（ミリリットル／秒）が下記の条件を満足する連続運転をすることを特徴とする中空糸膜を利用した孔拡散型膜分離システム。
   ｉ＜（兀／１２８ηｌ）（１０^３ｄ^４）
   ここでｄは中空糸膜の内径（単位は（ｃｍ）、lは糸長（ｃｍ）、）
2. 請求項１において中空糸膜の内径が０．４ｃｍ以上でかつその素材が再生セルロースであることを特徴とする中空糸膜を利用した孔拡散型膜分離システム。
3. 請求項１および２における濃縮工程が、平均孔径５ｎｍ以下の再生セルロース膜を用いた濾過であることを特徴とする孔拡散型膜分離システム。