JP2009204437A - 完全性試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
膜濾過法、孔拡散法および孔拡散・濾過法のいずれもの膜除去法にも対応可能な膜の完全性試験装置を提供する。ただしこの際の完全性試験は非破壊で直接法の試験法であること
【解決方法】
完全性試験用コロイド溶液中のコロイド粒子濃度の１／１０００未満の濃度でも測定可能な溶液を用い膜の片側（Ａ面）と他の側（Ｂ面）のそれぞれの面に異なった液体を送る回路を有し、Ａ面側にコロイド溶液と膜表面を洗浄するための洗浄液を、Ｂ面側には水および該コロイドを溶解する溶解液を流す回路を有する。
【選択図】
図１

Description

生物由来の原料から製造される医薬品や食品にはウイルス等の微生物感染が起る可能性がある。そのためウイルス除去・不活化のプロセスバリデーションが義務付けられている。この目的で使用された膜については使用者には使用後に、膜が設計通り使用されたことを実証する膜の完全性試験が義務付けられている。本発明では膜の完全性試験を実施するための完全性試験装置に関する。

一方、膜製造業では膜の微粒子除去能についての再現性と予測性を与えるために、膜モジュールの全製品について微粒子除去能を検定する性能テストが実施される。完全性試験と性能テストとは一般には異なる方法であるため両者間の定量的関係は保証されていない。完全性試験の到達すべき理想像は性能テストと一致させる点である。本発明では膜の性能テスト用の装置として流用できる完全性試験装置に関する。

膜の完全性試験方法として今日まで提案された方法として、（１）膜の除去性能が所定の範囲内にあることを実証する性能試験と（２）プロセスバリデーションで採用された膜と使用前と使用後とのいずれにおいても同一（あるいは設定範囲）の膜構造を持つことを実証する膜構造同一性確認試験とに分類される。（１）の立場からはウイルスと類似の大きさを持つ微粒子を用い、この微粒子の使用後の膜による除去性能を直接測定する方法（直接法）が提案された（特許文献１）

しかしこの直接法では金のコロイド粒子を用いているための試験後の膜内部にコロイド粒子が残存し、再試験できないいわば破壊試験である。すなわち従来のコロイド粒子を用いた完全性試験は破壊型で直接法である。また金コロイド粒子を用いた場合にはタンパク質と凝集結合する作用が強いため、完全性試験実施前にこれらを洗浄除去しなくてはならない。さらに金コロイド粒子濃度を分光器などの日常的な機器で測定すると対数除去係数（ＬＲＶ）で２〜３が限度である。除去性能テストで要求されるＬＲＶで４の感度に比較して小さいので金コロイドを用いた性能試験は実施されていない。

本来性能試験であるはずの直接法において、検出感度が低いために現状の金コロイドを用いた完全性試験では性能試験に位置付けることができない。そのため完全性試験としてはピンホール検査（ある指定された径の孔（通常０．１〜数μｍ径）以上の孔の存在を否定する検査）と組み合わせて金コロイドの除去性能値によって平均孔径付近の孔径分布が変化していないことを実証することで、完全性試験方法の分類の（２）で述べた孔特性を確認している。

粒子濃度の測定感度がウイルス濃度の測定感度に匹敵する程度になると、完全性試験での直接法は性能試験に分類される。従来の直接法では膜に対して破壊検査となるため、検査のミスがあっても再検査が許されないという問題点が残る。完全性試験の理想的な一つの到達点は非破壊型で測定感度の高い直接法である。

完全性試験方法の分類の（２）の立場で、膜構造の確認方法が完全性試験として利用される場合がある。微粒子除去性能は微粒子径より大きな径の孔の存在比率に支配されるので、この比率を反映する物性値を測定する。微粒子除去性能を直接測定するのではなく、また上記の孔の存在比率を直接測定するのではないためこの方法はある種の前提をもとに関接的に確認する方法であるため関接法と定義される。関接法で前提となるのは界面化学的な性質（例えば膜素材と液体との界面張力）である。関接法で重要な点は界面化学的な性質に関連した測定値と孔特性値との因果関係、この関係で得られた孔特性値と微粒子除去性能との相関関係とか常に確立されていなくてはならない。（特許文献２）

膜の界面化学的な性質は膜の使用前後でことなり、また膜を適用した対象液体ごとに使用後の膜の界面特性がことなる。したがって関接法を利用する際には膜の界面化学的特性を確認しておくことは不可欠である。しかし実際には膜の表面を洗浄処理することにより、使用前の膜の界面特性が再現されているとの前提で実施される。膜表面に付着した物質をできるだけ洗浄除去する必要性は、直接法においても利用されるコロイド粒子と該付着物質との相互作用が大きい場合にはこの洗浄工程が不可欠な場合もある。（特許文献３）

完全性試験を実際に適用する立場からこの試験方法への要望は以下のように整理される。（１）性能試験のように除去性能と簡単な因果性で結ばれかつ測定感度が大，（２）非破壊試験でくり返し測定が出来る，（３）使用後の膜を簡単な洗浄処理または洗浄処理をせずにそのまま測定できる，（４）試験装置は膜の使用現場の近くに設置でき、かつ濃度等の測定機器は簡便に手配でき保持管理が容易である。

一方、膜を利用した分離方法として、圧力差を利用した濾過法、濃度の差を利用して膜中の孔を通した物質移動を利用する孔拡散法、さらに膜中の孔を圧力差と濃度差とを利用した孔拡散・濾過法がある。これらの方法に対応して微粒子除去性能が異なるため、膜による微粒子除去性能に関する完全性試験方法はこれらの分離方法に対応した試験であることが原理上要求される。一方、完全性試験方法の分類の（２）の立場から膜構造の確認においては分離方法には依存しない。

特許公開２００５−４０７５６ 特許公開 平成７−１５１６６９ 特許公開２００５−４０７５６

本発明では膜濾過法、孔拡散法および孔拡散・濾過法のいずれかの膜除去法を膜使用者が利用しても対応可能な完全性試験装置を提供することを目的とする。その際上記で述べた完全性試験法に対する要望をすべて満足する直接法の非破壊型の完全性試験を実施できる装置を提供する。すなわち本発明によって微粒子（特にウイルス）除去用膜の完全性試験の問題点が解消される。

本発明の第１の特徴は直接法の完全性試験法で利用するコロイド溶液は該溶液中の初期コロイド粒子濃度Ｃｏが（１／１０００）Ｃｏ以下であっても濃度が測定可能なコロイド溶液である点にある。その際の測定機器は分光器のように汎用性の機器で医薬品や食品製造現場での持込みが容易であることが重要である。高感度の測定が可能であれば（１）微粒子対数阻止係数（ＬＲＶ）として３以上の測定が可能となる。たとえばＣｏ／１０⁵の濃度が測定できればＬＲＶとして５の実証が可能となりウイルスのＬＲＶの測定レベルとなる。すなわちこの溶液を用いた完全性試験は微粒子除去の性能試験ともなる。低濃度での測定が可能となるので、孔拡散法，孔拡散・濾過法および濾過法のいずれでも性能試験として利用できる。

前段で述べたコロイド粒子の溶液の例として無定形の水酸化第２鉄コロイド粒子を含む溶液がある。この際の分析法としてコロイド粒子を３価の鉄イオンとしこの鉄イオンをチオシアン酸カリによって赤色に発色させ、この発色した溶液を分光器で鉄イオン濃度を測定すれば濃度は０．０１ｐｐｍまで分光器で測定可能である。したがって初期コロイド濃度を１０００ｐｐｍにすればＬＲＶは５まで測定可能となり微粒子除去の性能試験として利用できる。

本発明の第２の特徴は膜の片側（以降膜のＡ面と略称）と他の側(Ｂ面と略称)の面に異なった液体を送る回路を有する点にある。Ｂ側の回路側には通常純水を満たす。Ｂ側の回路を連結するモジュール内の回路の体積はＡ側のそれに比較して小さく設計することにより完全性試験に要する時間を短縮できる。この流体を送るＢ側の存在により、直接法での問題点の一つであった試験用の溶液中のコロイド粒子の孔の目詰りをおさえることが可能となる。すなわち孔拡散による物質輸送の寄与が定量的に評価可能となる。孔拡散では微粒子やタンパクなどによる目詰りが起らない完全性試験が濾過法のみで行なわれた従来法では完全性試験により目詰りが進行し完全性試験が破壊試験法となる傾向を助長している。

膜のＡ面側には孔拡散・濾過モジュールや濾過モジュールの完全性試験の際の加圧用の回路となる。そのため回路には２気圧程度の耐圧性が要求される。さらに膜のＡ面にかかる圧力を測定および制御できる装置を装備すれば完全性試験時に孔拡散・濾過法による物質輸送法が採用できる。

本発明の第３の特徴はＡ面側の回路は製造工程での供給液の入口部と一致し、さらにこの回路は完全性試験液と膜表面を洗浄する洗浄液を流す回路と接続し、Ｂ面側の回路には拡散液としての純水とコロイド粒子の溶解液を送る回路と結ばれている点にある。膜の素材が再生セルロースの場合には膜表面を洗浄する液としては０．１規定の苛性ソーダ液が好適である。コロイド粒子として無定形の水酸化第２鉄の場合にはコロイド粒子の溶解液として酸あるいは還元剤が利用できる。たとえば酸として１規定の塩酸、還元剤としてアスコルビン酸が好適である。

膜の微粒子除去能は孔拡散法，孔拡散・濾過および濾過法の物質の輸送法によって異なる。一般的には孔拡散法＞孔拡散・濾過法＞濾過法の関係がある。したがって完全性試験を性能試験の立場から実施する際には、製造工程で実施された輸送法を完全性試験でも採用すべきである。ただし完全性試験で実証すべき点は微粒子除去性能が所定の性能以上であったことにあるのでこの場合には上記の大小関係を利用すれば良い。

たとえば製造工程では孔拡散法で実施されているならば完全性試験では孔拡散法あるいは孔拡散・濾過法あるいは濾過法のいずれの方法を採用しても良い。ただし実証すべき性能は輸送法に関係なく所定の性能以上である。製造工程で孔拡散・濾過法であれば孔拡散・濾過法または濾過法で、製造工程で濾過法が採用されていれば、濾過法での完全性試験を実施すべきである。

本発明装置により非破壊型で直接法の完全性試験が実施できる。完全性試験として孔拡散・濾過法で実施可能で、この方法で実施できれば膜中のコロイド粒子の溶解除去が容易でかつ完全性試験の再実施も可能となる。粒子濃度の測定感度が高いので性能試験として利用できるので膜の再利用の可能性が高まる。コロイド粒子として無定形水酸化第２鉄コロイドを利用すると、この粒子はタンパク質との結合が弱いため完全性試験前の膜の洗浄はほとんど必要ない。そのため膜として最も性能の落ちる膜の使用後の状態で完全性試験が実施でき、完全性試験の目的を達することが可能となる。

本発明装置により直接法の弱点である小粒子径のコロイド粒子の存在濃度の測定が容易である。すなわち孔拡散法では拡散液の流れを止めて４分後に拡散側の溶液をサンプルし、さらに所定時間後（たとえば膜の平均孔径が１０ｎｍ，膜厚１００μｍの場合には２０分後）に拡散側の溶液を採取し粒子濃度を測定する。前者の溶液中の粒子濃度は粒子を構成する原子(イオンなど)濃度で後者は溶液中の１０ｎｍ以下の粒子の濃度を与える。この値がブランク値となる。上記の例のように孔拡散法が実施できる本発明装置により試験液の粒径分布の問題が解消できる。

第１図に本発明装置の一例を示す。孔拡散・濾過法膜モジュールＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３が完全性試験対象モジュールである。製造ラインはｌ_１より処理前液流入口，ｌ_２より一部の処理後の液で、その液はｌ_１へ再び戻るループをつくる。製造ラインでは処理後の液は孔拡散・濾過法ではｌ_４より流出する。Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３の使用後、流路切替えコックを用いて完全性試験装置の回路に切り替える。

タンクＴ_１には純水が、Ｔ_２には粒子溶解用液（粒子が水酸化第２鉄の場合）には１規定の塩酸、あるいはアスコルビン酸水溶液が入っている。Ｔ_１およびＴ_２の液をＭ_１，Ｍ_２およびＭ_３に送るための送液ポンプＰ_１が設置され、濾液と拡散液とがコックＣを切り替えて粒子濃度測定用拡散液採取フラスコＳに採取される。タンクＴ_３には試験液が入り、Ｔ_４には膜の洗浄液が入っている。送液ポンプＰ_２によってモジュールＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３に膜の洗浄液を送り、次に試験液を送る。

使用前のモジュールＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３が完全に設定されているかを確認するための回路ｌ_５は気体供給用ボンベＧｓ，気体中から微粒子を除去するためのフィルターＦ，圧力を測定するゲージＧ回路切替え用コックＣで構成されている。ｌ_５の回路をｌ_１と接続することによりＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３の受け入れと回路ｌ_１の完全性も実証できる。

第１図においてモジュールＭ_２とＭ_３とに通じる回路をすべてとじた。Ｍ_１として平均孔径２５ｎｍ、膜厚８０μｍ空孔率８６％の再生セルロース膜で組み立てられた孔拡散・濾過型モジュールを設置し、タンクＴ_１に純水を入れた。Ｍ_１へ通じる回路をコックＣによって製造ラインのｌ_１，ｌ_２およびｌ_４を開いた。ポンプＰ_１を運転してモジュールＭ_１の膜の裏面に純水を満たした。ＧＳによってモジュールＭ_１の膜のＡ面に空気圧１気圧を負荷し、気泡の発生がなく、負荷後に気体の供給を停止後の気圧の低下度が所定の範囲にあることを確認した。２重量のγ―グロブリン（うし）水溶液をあらかじめ平均孔径８０ｎｍ、膜厚９０μｍの再生セルロース膜で濾過後の液をＭ_１に供給した。Ｍ_１により孔拡散・濾過法で供給液を一定速（１０リットル／ｍ^２．時間）で処理した。膜間差圧は最大１気圧であった。拡散液（この場合、純水）の送液速度は一定(５リットル／ｍ^２．時間)で１０時間処理した。

第１図の装置でタンクＴ_３に平均粒径３０ｎｍの無定形水酸化第２鉄コロイド粒子を鉄換算で約１０００ｐｐｍ含む溶液を入れ、タンクＴ_４に食塩水をいれる。０．５Ｍ／ｌのＮａＣｌ水を洗浄液とする。洗浄水を１００リットル／ｍ^２でＭ_１内の膜の表面をポンプＰ_２で流しながら洗浄した。水酸化第２鉄コロイド粒子の濃度は第二鉄イオンの濃度として測定した。すなわち液中のコロイド粒子を塩酸の作用により第二鉄イオンとし、これにチオシアン酸カリを添加して第２鉄イオンの錯塩とし、その濃度を分光器で定量した。

ポンプＰ_１によりＭ_１モジュールの膜のＢ面側に純水を満たし、その後流れを止めた。次にＴ_３の試験液をポンプＰ_２によりＭ_１モジュール中の膜のＡ面側を満たし２０分間静置した。２０分後Ｂ面側の拡散液中の第２鉄イオン濃度を分光器で測定し、その濃度として０．０６ｐｐｍを得た。次に試験液をポンプＰ_２によってＡ面側に供給し、膜の使用時と同一の孔拡散・濾過を実施し、拡散液中の第２鉄イオン濃度を測定した。測定値は０．０７５ｐｐｍであった。したがって使用後のＭ_１モジュールの粒子対数阻止性能はｌｏｇ{１０００／（０．０７５−０．０６０）}≒４．８であった。Ｍ_１モジュールの当初の設定では対数阻止係数として３以上が合格であるため今回のＭ_１モジュールの使用は適切であったと判定した。

ポンプＰ_１を使ってタンクＴ_１中の純水を膜１平方メートル当り８ℓ流し次にタンクＴ_２中のアスコルビン酸ナトリウム０．１重量％の水溶液を膜面積１平方メートル当り４ℓ供給し、２５℃で１時間放置する。その後ポンプＰ_１を使って再びアスコルビン酸ナトリウム水溶液を４ℓ／ｍ^２で供給し、２５℃で１時間放置する。この放置後の拡散液側の2価の鉄イオン濃度は０．５ｐｐｍ以下となり、またＭ_１モジュールの膜の着色も消失していた。この一連の処理で膜中の水酸化第２鉄コロイド粒子は２価の鉄イオンへ還元され水中に溶解除去されたことが確認できた。微粒子除去性能の点からは使用後もかわらず再び使える状態にあるともいえる。

膜を利用して微粒子を高度に除去する工程を持つ産業に本発明は利用できる。微粒子としてプリオンの場合にはバイオ医薬品の製造工程で利用される。微粒子がウイルス，殺菌，マイコプラズマのように感染性であればバイオ医薬品に加えて食品，化粧品の製造工程で、微粒子が酵母であれば醗酵工業でも利用されるであろう。今後の進展が期待されているナノテクノロジーにおいても微粒子の除去技術が必要となるであろう。その場合その技術の完全性試験が求められ本発明技術が利用されるであろう。

本発明装置の典型的な例

符号の説明

Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３；完全性試験対象モジュール，孔拡散型モジュール，孔拡散・濾過型モジュール，濾過型モジュールなど
Ｐ_１，Ｐ_２；液体供給用ポンプ
Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３，Ｔ_４；それぞれ純水，粒子溶解用液，試験液および洗浄用液の貯蔵タンク
Ｓ；粒子濃度測定用拡散液採取フラスコ
Ｃ；流路切替コック
ＧＳ；気体供給ボンベ
Ｆ；微粒子除去用フィルター
Ｇ；圧力測定器
ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３，ｌ_４；製造ラインに連結するパイプ

Claims (5)

1. 孔拡散，孔拡散・濾過および濾過型の膜モジュールに対して非破壊型で直接法の微粒子除去
   膜の完全性試験法において、該試験法で用いる試験用コロイド溶液（以降単に試験液と略称）中のコロイド粒子濃度の１／１０００未満の濃度でも測定可能な試験液を採用し、膜の片側（Ａ面と略称）と他の側（Ｂ面と略称）のそれぞれに異なった液体を送る回路を有し、Ａ面側に試験液と膜表面を洗浄するための洗浄液を、Ｂ面側には水および該試験液中のコロイド粒子を溶解する溶解液を流す回路を有することを特徴とする完全性試験装置。
2. 請求項１においてＡ面側の回路にさらに気体を送る回路を有することを特徴とする完全性試装置。
3. 請求項１および請求項２において試験液が特定された粒子径を持つ水酸化第２鉄コロイド粒子を分散した液、粒子溶解液として還元剤または酸を含む液体であることを特徴とする完全性試験装置。
4. 請求項２において気体を送る回路には圧力源、粒子除去フィルターを通しての気体の供給部と供給速度を制御する部とモジュール内の圧力を検出する圧力計が装着されていることを特徴とする完全性試験装置。
5. 請求項１〜４において膜の完全性試験法の対象となるすべての膜モジュールに対して孔拡散・濾過法での試験法を中心に設計され、かつ孔拡散による試験液中の１０ｎｍ径以下の小粒子成分濃度を前もって測定する完全性試験装置。

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