JP2013170927A - 中空糸膜モジュールのリークテスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
乾燥状態の中空糸膜モジュールを湿潤化させること無く、また、人体にとって有害な物質を残存させること無く、精度よく中空糸膜モジュールの欠陥を検知する方法を提供する。
【解決手段】
中空糸膜の含水率が１００％以下である中空糸膜モジュールのリークテスト方法であって、粒子径が０．０５μｍ以上３μｍ以下の無機塩からなる微粒子を含むエアロゾルを通気し、該無機塩の総使用量が膜内表面積１ｍ^２あたり１００ｍｇ以下であり、該微粒子の透過率を測定することによりリークを検知する中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
【選択図】なし

Description

本発明は中空糸膜モジュールに内蔵される中空糸膜におけるピンホールや破損等の欠陥を検出するための中空糸膜モジュールのリークテストを行う方法に関する。

近年、中空糸膜モジュールは、水処理膜などの産業分野、血液処理などの医療分野などの多岐にわたり使用され、特に浄水器、人工腎臓、人工肺などはその需要が極めて増大している。

中空糸膜モジュールの製造工程において、中空糸膜に欠陥が生ずることがある。特に中空糸膜にピンホールがあると、中空糸膜モジュールの使用時に中空糸膜によって阻止したい物質が濾液側に漏れ出るリークと呼ばれる欠陥となる懸念があるため、中空糸膜モジュールのリークテストは不可欠な工程である。

中空糸膜のリークテスト法として、たとえば中空糸膜の内部を水で充填し、正常な孔からは気体が漏洩しないが、膜の欠陥となる大きさの孔からは流出するような圧力で中空糸膜の外部から加圧し、膜の欠陥から漏洩してくる気体の発生を調べるというバブルポイント法が知られている。また、選択分離層と支持層からなる非対称構造を有する多孔質膜のリークテスト法について、膜素材に濡れ性を持つリークテスト用液体に浸漬し、支持層側のリークテスト用液体を除去した後、支持層側の空間を加圧して、選択分離層側に漏洩してくる気体を検知する方法が開示されている（特許文献１）。これらの方法では中空糸膜モジュールが乾燥状態である場合、中空糸膜を水などの液体に浸す必要がある。したがって、中空糸膜モジュールの最終形態として中空糸膜の含水率が１００％以下の乾燥状態であることを望む場合、リークテスト後に液体の除去、および乾燥工程の追加が必要となることから、エネルギーコストの面からは工業的に望ましい方法ではない。また、乾燥工程において熱風乾燥など加熱工程を伴う場合では、中空糸膜の細孔径、孔径分布に変化が生じ、透水性能や分画性能といった中空糸膜特性に変化が生じるという問題もある。

かかる問題を解決できる乾燥状態の中空糸膜モジュールのリークテスト方法として、中空糸膜モジュールに微粒子を含む気体を流し、中空糸膜を通過した気体中の微粒子の数を測定する中空糸膜モジュールのリークテスト方法（特許文献２、３）、着色粒子を含有させリーク箇所の着色によって判別する中空糸膜モジュールのリークテスト方法（特許文献４）が開示されているが、中空糸膜モジュールを水処理用途、あるいは、人工腎臓や人工肺といった医療用途として用いる場合、空気中の微粒子がモジュール内に残存することがあれば、人体にとって不純物となりえるため、除去工程が必要となる。
また、該微粒子の反応性が高い場合、中空糸膜との反応により中空糸膜の劣化の原因ともなりうる。

特開平１０−１５０５９号公報 特公平２−１４０８４号公報 特開２００４−２１６３１１号公報 特開２００９−１８３８２２号公報

乾燥状態の中空糸膜モジュールを湿潤化させること無く、また、人体にとって有害な物質を残存させること無く、精度よく中空糸膜モジュールの欠陥を検知する方法を提供する。

上記課題の解決のため、本発明では、粒子径が０．０５μｍ以上３μｍ以下の無機塩からなる微粒子を含むエアロゾルを用いて、該微粒子の総使用量を膜内表面積１ｍ^２あたり１００ｍｇ以下として中空糸膜に通気し、該微粒子の透過率を測定することによりリークを検知するリークテスト方法を提供する。

本方法は、アルブミンのふるい係数が０．５％以上５％以下である中空糸膜が内蔵された中空糸膜モジュールに好適に適用される。

また、中空糸膜モジュールが医療用途のものに本方法が好適に用いられ、中でも血液と接触させる用途、例えば血液透析用途において特に好適である。

本発明によって、乾燥した状態の中空糸膜モジュールについて、その製造工程において生じた欠陥を精度よく検知することができ、モジュールとしての機能を失うことなく、かつ人体にとって有害となる物質が存在しない中空糸膜モジュールのリークテスト方法を提供することが可能となる。

一般的に中空糸膜モジュールのリークテストは、膜を用いて中空糸膜モジュールを組み立てた製品として最終形態で実施されるが、本発明においても、以下に説明するとおり、乾燥状態の含水率１００％以下の中空糸膜であるにも関わらず、モジュール化した状態で精度よくリークテストを行うことができる。また、本発明では、中空糸膜モジュールの性能に影響を与えることなく、使用用途が水処理用用途、あるいは、医療用途である場合に人体にとって望ましくない物質が残存しない。

すなわち、本発明では、微粒子を含むエアロゾルを通気して、中空糸膜を透過した微粒子の数を測定するものであるが、その粒子径は、小さすぎると正常な中空糸膜に存在する孔を通過することがあり、また、微粒子の拡散により中空糸膜に捕捉されてしまうことから、リークのあるモジュールでもリーク部からの透過微粒子を検出できなくなる可能性があることを考慮し、粒子径が０．０５μｍ以上のものを用いる。粒子径は０．１μｍ以上であることが好ましく、０．３μｍ以上であることがより好ましく、０．４μｍ以上であることがさらに好ましく、０．５μｍ以上であると特に好ましい。一方で、大き過ぎると糸切れやピンホールなど血球成分のリークの原因となるような欠陥を通過することができずリークを精度よく検出することができないことから、粒子径が３μｍ以下のものを用いる。粒子径は２μｍ以下のものが好ましく、１．５μｍ以下のものがより好ましく、１μｍ以下のものがさらに好ましい。

本明細書における「粒子径」とは、レーザー回折・散乱法によって求めた個々の微粒子の粒子径を意味する。ただし、通常、粒子径には分布があり、ごくわずかに上記範囲を外れる微粒子が存在することがある。本発明では、上記方法によって求めた粒度分布における８０質量％以上の微粒子の粒子径が上記範囲に収まることが好ましく、８５質量％以上が上記範囲に収まることがより好ましく、９０質量％以上が上記範囲に収まることがさらに好ましく、９５質量％以上が上記範囲に収まることが特に好ましい。また、リーク判定にはエアロゾルに含まれる微粒子全体の透過率によって判定してもよいし、粒度分布計などを用い上記範囲に入る微粒子のみの透過率、あるいは、上記範囲内の特定の粒子径を持った微粒子のみの透過率によって判定してもよい。透過率は、例えば中空糸膜モジュールに供給するエアロゾル中の微粒子数に対する中空糸膜モジュールを通過した気体中に含まれる微粒子数の比率として求めることができる。微粒子濃度の測定方法としては一般的なパーティクルカウンターを通して計測する方法などが挙げられる。

また、エアロゾルの流速が小さい場合、リーク部から透過できる粒子径を持った微粒子であっても、微粒子の拡散のため中空糸膜に捕捉される。このためエアロゾルの流速としては３Ｌ／ｍｉｎ以上が好ましく、１０Ｌ／ｍｉｎ以上がさらに好ましい
エアロゾルに含まれる微粒子数としては、少なすぎるとリークモジュールであっても透過する微粒子が少なくなり、精度よくリークを検知できなくなることから３０００個／ｃｍ^３以上であることが好ましく、１００００個／ｃｍ^３以上であることがさらに好ましい。エアロゾルに含まれる微粒子数が多すぎる場合は、リークテスト後に中空糸膜モジュール内に残存する微粒子数が増加する要因となることや、パーティクルカウンターで微粒子数を測定する場合、測定上限を超えるなどの不具合が生じるため、３０００００個／ｃｍ^３以下であることが好ましく、１０００００個／ｃｍ^３以下であることがさらに好ましい。

また、本発明では、当該微粒子として、中空糸膜が水処理用途、あるいは、医療用途に用いられ得ることから、反応性の低い成分からなることが好ましい。反応性の低い微粒子としては無機塩微粒子が挙げられる。ただし、鉄等は、イオンとなったときのイオン価数が２価または３価というように１つではなく、この様な金属は酸化／還元力による反応性を有することから好ましくない。すなわち、本発明では、無機塩を構成する金属イオンが１種類のイオン価数のみを持ち得るものであることが好ましい。この様な金属イオンの例としては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオンが挙げられ、これらから選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。また、この様な金属イオンを含む化合物の例として、塩化カルシウム、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムまたはこれらの混合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

無機塩の使用量が多く、中空糸膜モジュール内に残存する量が多くなると、中空糸膜において目詰まりを起こす可能性がある。また、血液透析用途に用いる場合は、プライミング不足による血液中への混入が懸念される。中空糸膜モジュール内に残存する無機塩が大量に血液中に混入した場合、電解質異常の原因となる。例えば、当該無機塩がカリウム塩であった場合、高カリウム血症といった重篤な副作用の原因となりうる。これらの理由から、微粒子の総使用量は中空糸膜の膜内表面積１ｍ^２あたり１００ｍｇ以下であることが好ましく、１０ｍｇ以下がより好ましく、１ｍｇ以下がさらに好ましい。ここで、総使用量とは、通常は１回のリークテストにおいて用いる量をいうが、２回以上のリークテストを行う場合、その複数回のテストにて用いる量が上記の量以下であることがより好ましい。
エアロゾルを通過させる方向としては、中空糸膜内表面側から外表面側に向けてであっても、あるいは、中空糸膜外表面側から内表面側に向けてであっても、いずれでもよい。

なお、エアロゾルを使用するため、中空糸膜が湿潤状態であると、水分により、微粒子が溶解する、あるいは、粒子径が変化するといった現象が生じてリークを正確に検出できないことからも、中空糸膜の持つ含水率が１００％以下であることが重要である。中空糸膜モジュールの軽量化の観点からは１０％以下であることが望ましい。ここで言う含水率とは中空糸膜の自重に対して、中空糸膜が含有する水の重量の比率のことである。含水率は、中空糸膜の重量測定から計算できる。具体的には、リークテストを行う前の状態の中空糸膜モジュールから取り出した中空糸膜の重量と、中空糸膜の絶乾重量との差が中空糸膜の含水量となる。この含水量の中空糸膜の絶乾重量に対する割合が含水率である。ここでいう絶乾重量はＪＩＳＬ０１０５（２００６）の５．３．２に記載されている恒量になった状態の重量を指す。

エアロゾルの製造方法は特に限定されないが、市販されているエアロゾル発生装置を用いて製造することができる。

透過する微粒子の検出方法についても特に限定されないが、一般的なパーティクルカウンターを通して計測する方法などが挙げられる。

中空糸膜の製造方法としては、公知の方法で製造できる。例えば、製膜原液を芯液と同時に２重スリット管構造の口金から同時に吐出させることで、中空糸膜を製造できる。その後、所定の水洗、乾燥工程、クリンプ工程を経た後、巻き取られ、適当な長さにカットした後、ケースに挿入され、ポッティング材によって端部を封止し、モジュール化される。
モジュール形状としては、直線状両端開口型、直線状片側開口型など、どのような形状であっても良い。

本発明において用いられる中空糸膜を構成する成分としては特に制限はない。例えばポリスルホンやポリエーテルスルホンのような合成高分子であってもよいし、セルローストリアセテートのような天然高分子であってもよい。また、疎水性高分子、親水性高分子のいずれも用いることができる。中でも、疎水性高分子と親水性高分子の両方を同時に構成成分として用いたものが、ポアサイズコントロールの容易性や、該中空糸膜モジュールが医療用途に用いられる場合では生体適合性などの点から優れている。

疎水性高分子としては、ポリスルホン系高分子、ポリアミド系高分子、ポリイミド、ポリフェニルエーテルなどほとんどのエンジニアリングプラスチックを用いることができるが、ポリスルホン系高分子が好ましく、ポリスルホンが特に好ましい。

親水性高分子としては微粒子と相互作用の小さいことが好ましく、非イオン性高分子であることが好ましい。非イオン性高分子としては、例えばポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明に用いられる中空糸膜の構造としては、血液などの処理液に接触し分離性能に寄与する機能層と、膜の機械強度に寄与する支持層からなっている非対称構造の膜が透水性、分離性能の面から好ましい。特に限定しないが、中空部に血液を通す透析膜などでは、中空糸膜の内表面側が機能層となる。

中空糸膜が非対称膜構造である場合、機能層が薄いため拡散により捕捉される微粒子数が減少することから精度よく中空糸膜の欠陥を検知することができ、本発明に係るリークテスト方法を好適に適用できる。

機能層表面の親水性が低いと、血液が接触した際にタンパク質や血小板の付着が発生し、血液凝固の原因となることから、機能層表面に含有させる親水性高分子の含有量が１０質量％以上であることが好ましく、２０質量％以上であることがさらに好ましい。一方、親水性高分子を過剰量に含有している場合、中空糸膜に水分が含まれていると、親水性高分子の膨潤による膜孔径変化から微粒子の透過率に変化が生じ、リークを精度よく検出できなくなるため、４０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがさらに好ましい。機能層表面の親水性高分子含有量の測定方法としては、例えばＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で求めることができる。

機能層表面への親水性高分子の付与方法としては特に限定されないが、例えば、前述の中空糸膜の製造方法において、製膜原液や芯液に親水性高分子を添加する方法、あるいは、中空糸膜表面に親水性高分子を含む溶液を接触させて付与する方法などが挙げられる。

また、親水性高分子は、中空糸膜からの溶出物を減少させるため、架橋させ水に不溶化させることが好ましい。架橋させる方法としては特に限定されないが、例えば、放射線照射、熱による架橋などが挙げられる。

本発明に係る中空糸膜の孔径について、血液透析用途を想定すれば、生体にとって有用タンパクであるアルブミンの漏出を最小限に抑える必要がある一方で、透析性アミロイドーシスの原因物質であるβ_２−マイクログロブリンといった分子量が比較的アルブミンに近い中分子量の除去が望まれる。そこで、アルブミンのふるい係数が０．５％以上であることが好ましく、０．８％以上であることがさらに好ましい一方、５％以下であることが好ましく、３％以下であることがさらに好ましい範囲であり、本発明に係るリークテスト方法を好適に適用できる。アルブミンのふるい係数とは日本透析医学会の定める方法（血液浄化器の性能評価法、透析会誌２９（８）１２３１−１２４５、１９９６）に従い、ＡＣＤ−Ａ液を用いて抗凝固したタンパク濃度６〜７ｇ／ｄＬの血漿を血液側溶液として用い、血液側流量を２００ｍＬ／ｍｉｎ、濾過流量を１０ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ^２で循環した時の６０分後の試験液から血液入口側液、血液出口側液および濾液を採取して、液中アルブミン濃度を測定して得た値である。濃度は、アルブミンとブロムクレゾールグリーン（以下ＢＣＧと略す）やブロムクレゾールパープルなどの色素との結合による色調の変化を利用して測定することができる。なお、循環中に得られた濾液は血液側に戻す。ふるい係数の算出式はＪＩＳＴ３２５０（２００５）に従う。

本発明のリークテスト法は、人工腎臓、血漿分離、体外循環吸着用担体などの血液処理用途、これを含む医療用途や、エンドトキシン除去フィルターなどの水処理分野の中空糸膜にも適応可能である

Claims (15)

1. 中空糸膜の含水率が１００％以下である中空糸膜モジュールのリークテスト方法であって、粒子径が０．０５μｍ以上３μｍ以下の無機塩からなる微粒子を含むエアロゾルを通気し、該微粒子の総使用量が膜内表面積１ｍ^２あたり１００ｍｇ以下であり、該微粒子の透過率を測定することによりリークを検知する中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
2. 該中空糸膜のアルブミンのふるい係数が０．５％以上５％以下である請求項１に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
3. 該無機塩を構成する金属イオンが１種類のイオン価数のみ持ち得る請求項１または２に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
4. 該金属イオンがナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオンから選ばれる少なくとも一つである請求項３に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
5. 該エアロゾルの流量が３Ｌ／ｍｉｎ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
6. 該エアロゾルに含まれる微粒子の濃度が３０００個／ｃｍ^３以上である請求項１〜５のいずれかに記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
7. 該中空糸膜モジュールが医療用途に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
8. 該中空糸膜モジュールが血液と接触させる用途に用いられる請求項７に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
9. 該中空糸膜モジュールが血液透析用途に用いられる請求項８に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
10. 該中空糸膜が少なくとも疎水性高分子と親水性高分子を含んでなる請求項１〜５のいずれかに記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
11. 該疎水性高分子がポリスルホン系高分子である請求項１０に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
12. 該中空糸膜の機能層表面における親水性高分子の含有量が１０重量％以上、４０％以下である請求項１０または１１に記載の中空糸膜モジュール。
13. 該親水性高分子が非イオン性高分子である請求項１２に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
14. 該親水性高分子がポリビニルピロリドンである請求項１３に記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。
15. 該中空糸膜が非対称膜である請求項１〜１４のいずれかに記載の中空糸膜モジュールのリークテスト方法。