JP2014024064A - 孔拡散用再生セルロース多孔膜及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再生セルロース多孔膜に関し、孔拡散の実用化の観点より微生物除去のみでなく、有用物質の透過性、利用の容易さを考慮した多孔膜を設計し、該多孔膜の製法を提供する。
【解決手段】孔拡散用再生セルロース多孔膜は、平均孔径（２ｒｆ）が５〜５００ｎｍ、膜厚（ｄ）が５０〜５００μｍ、空孔率（Ｐｒ）が０．６〜０．９の多層構造を有する再生セルロース膜で、分子間水素結合の発達度が４０％以下である。
【選択図】図７

Description

本発明は、平膜の孔拡散機構を利用して固液の分離を行う孔拡散式平膜分離装置、平膜を用いた平膜濃縮装置、平膜としての再生セルロース多孔膜、および、平膜検査方法に関する。

（孔拡散式平膜分離装置）
従来、液体の分離に使用する膜分離装置には、中空糸膜モジュール、管状膜モジュール、平膜型膜モジュール、スパイラル型膜モジュール、プリーツ型膜モジュールなどがあるが、いずれも濾過分離を主とする装置である。さらに、これらのモジュールは膜を保持するため、膜の一部と支持体とを樹脂などで接着固定している。特に有効濾過面積が０．１平方メートルを超える場合は、膜間差圧を支えるために容器（ハウジング）や支持体はステンレス製となり、持ち運びの困難なモジュールとなるか、あるいは膜の一部とを樹脂などで接着固定した中空糸膜モジュールとなる。

膜濾過法では、膜間差圧の付加は不可避であり、この圧力は平膜モジュールの場合ではモジュールの最外層が主として分担するため、最外層に補強用の材料が付加されるためにモジュール内の観察が難しくなる。
膜濾過法では膜内部の孔に目詰まりするため、膜の再生処理が難しい。また、膜濾過法による分離は、膜の孔径に依存しているため、分離すべき分子の大きさが小さくなると、適用される分離膜の平均孔径も小さくなければならず、有効濾過面積あたりの濾過量が減少し、さらに目詰まりが起こりやすい。

しかしながら、上記の樹脂で接着固定したモジュールでは膜を保持するために膜の一部と支持体とを接着固定している為、膜のみ或いはモジュールの一部のみが破損した場合、破損した一部だけを取り替えることは困難であるという問題があった。
また、膜濾過法を採用しているモジュールでは濾過分離を行う際、膜は目詰まりが起こりやすいため、安定的な膜濾過性能の維持が難しく、また、衛生上の観点からシングルユースが一般的であり、結果製造コストが高くなってしまうという問題があった。

（平膜濃縮装置）
溶液中の特定物質を濃縮する技術として蒸発・凝結・凍結乾燥・沈殿・吸着法などが実施されている。蒸発や凝結による水分除去では相分離が伴わない。かつエネルギー多消費である。
また、この濃縮によりタンパク等の生理活性物質の活性が失われる。
沈殿法では少なくとも第３成分の添加を必要とし、凍結乾燥の場合と同様に濃縮成分は固体状となる。
吸着法は選択的な濃縮であるが、脱着による稀釈とコスト高である。
これに対して膜による濃縮は、温和な条件下でしかも省エネ下での濃縮が可能なため、特に生化学工業での適用が期待されている。

膜による濃縮法は一般に濾過によって実施される。濾過速度は膜間差圧と正の相関性があるため膜間差圧を大きくして膜濃縮は実行される。膜間差圧を大きくするには、中空糸膜にするか、或いは、平膜の場合には支持体を用いる。しかし、膜間差圧を高めると膜表面に高分子量成分の濃縮が起り、濾過速度の減少と回収率の低下が起る。

回収率を高めるには、膜モジュールとして中空糸膜モジュールよりも平膜モジュールの方が原理上有利である。即ち、平膜モジュールではモジュールの分解組み立てが可能で膜部分のみを取り出して回収可能であるためである。
従来の平膜濃縮装置のモジュールとして、装置の構造としては最も単純な平板型をはじめ、管型・スパイラル型・プリーツ型・回転膜型等が挙げられる。平膜での濾過では膜間差圧を支える装置上の工夫が必要である。

これらは耐圧性や膜充填密度の問題を解消するための設計上、装置の構造が複雑な、大型のものが多く、支持体の素材が金属質であるものが汎用的であった。そのため装置のモジュールは、それぞれの部材が一体化されている、もしくは、簡単に分解することのできない形状になっている、の何れかであり、運搬・設置・支持体や液流入出口コネクタの洗浄・消耗部品や平膜の取替えが容易ではなかった。そのため、平膜を利用した濃縮装置の実用化は不可能と考えられた。

本発明でいう平膜とは、膜の厚さが１μm以上でかつ１ｍｍ未満であり、膜平面の面積と膜厚方向の断面積との比が２０以上であり、かつ円筒状形状の膜の場合には該円筒の半径が５ｍｍ以上である膜を意味する。
濾過方法として、濾過前の原液を膜表面に平行に流動させながら濾過する方法（平行濾過あるいはクロスフロー濾過、タンジェンシャルフロー濾過）と、原液を流動させずに濾過する方法（垂直濾過あるいはデッドエンド濾過）とがある。
通常、中空糸を用いた膜濃縮法では平行濾過方法が採用されるが、平膜では平行濾過と垂直濾過の両者が採用される。平行濾過の場合では、加圧側には通常支持体を使用しない。濃縮率は回収液中の濃度と原液中の濃度との比として定義する。

支持体を使用しない平行濾過での膜濃縮では、膜面を有効に利用するために膜は垂直に設定される。ただし、原液中に密度の大きい分散体が存在する場合は、この分散体が下層に沈殿し、膜の有効濾過面積の低下が生じる。
また、濃縮液の回収の際には、上下方向を逆にして気体を送り込まなくてはならない。また、膜濃縮共通の問題点として、膜濃縮中に濃縮率の増大に伴って浸透圧が増大するために濃縮速度が減少し、濾液中にも回収すべき成分の濾出が起る。

（再生セルロース多孔膜）
従来、膜分離技術は膜間差圧を物質移動の駆動力とする濾過が中心であった。濾過では処理液が流体として多孔膜中の孔に流入するので、孔に目詰まりと膜表面での濃度分極が起り、膜として処理可能な液量は、膜の平均孔径の低下と共に急速に低下する。
また、濾過速度は平均孔径の４乗または２乗（空孔率が同一の場合）に比例するため、平均孔径が小さくなると濾過速度は急速に低下する。

温和な条件で分離が可能な膜分離は、生物資源を原料とするバイオテクノロジー分野での利用が増えつつある。特にバイオ医薬品の製造や食品分野での精製工程では、膜分離技術は、不可欠な分離精製手段となっている。これらの分野では、感染性粒子（プリオン，ウイルス，細菌など）の除去に膜分離技術が利用され、安全性対策に重要な役割を果している。

本発明中の膜分離技術とは、
（１）膜の表裏面間の圧力差を物質輸送の駆動力とし、流体力学的な流れを起こして、孔径と粒子径との関係で物質を分離する膜濾過技術と、
（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、液体としての流れは起らず、物質の分子の持つ熱運動性（いわゆるブラウン運動）の差を利用した分離、および、膜中の孔径と粒子径との関係で生じるふるい効果によって分離する孔拡散技術と、
（３）半透膜を隔てた濃度差を物質移動の駆動力として、膜および物質の親和力差と、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技術と、
を意味する。

孔拡散技術の模式図を図９〜１０に示した。
図９は、孔拡散に用いる膜を膜平面に対して平行に断面視した図である。この図のような構造が膜の厚さ方向に層状に積層し、当該膜が多層構造となっている。
図１０には、アルブミンの粒子および除去すべき粒子としてウィルス・プリオンを含んだ溶液を孔拡散によって分離する様子が示してある。最小の粒径を有するアルブミンは、膜中に存在する孔は殆ど通過できるため、拡散方向に沿って膜を通過する。一方、アルブミンより大径のウィルス・プリオンは、通過できる径を有する孔が殆どないため、孔を通過するのに多大な時間を要する。

膜分離技術で採用される膜としては、形態的には中空糸膜と平膜とに大別される。
中空糸膜では膜の支持体は不要であるが、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、容器ごとの取り替えとなる。

一方、平膜では膜を支持するための支持体が必要で、膜面積当りのモジュールは大きくなり、充填液量が大きくなるという問題点を有する。しかし、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。

分離用膜の作製方法として（１）ミクロ相分離法、（２）溶媒によるエッチング法、（３）延伸に伴う空孔発生を利用する方法等（例えば非特許文献１参照）がある。
微粒子除去を目的とする分離用膜の製法としてはミクロ相分離法が適する。ミクロ相分離法とは以下の方法を意味する（例えば非特許文献２参照）。

即ち、湿式または乾式の製膜法において、製膜用原液は均一な一相の液体状態にある。平膜の場合では流延中、あるいは、中空糸膜の場合では紡糸過程中において、高分子濃厚相と希簿相とに分離する相分離が起る。この際、相分離は、おそらくは数ｎｍ程度の大きさの核が発生した後に一次粒子に成長する。さらに、主として一次粒子が会合・融合することによって二次粒子（直径５０〜数百ｎｍ）へと成長する。
この二次粒子が比較的安定であり、この状態をミクロ相分離状態と定義する。一次粒子と二次粒子とが凝集して積み重なり、連続化して多孔膜が製膜される方法をミクロ相分離法という。

再生セルロースの製膜法として、銅安法の再生セルロース原液中に水ガラス等の無機塩、あるいはアセトン等の有機溶媒を添加し、乾式あるいは湿式法によりミクロ相分離を起こさせ、膜が固化した後残存する塩や金属を酸で除去する方法が知られている（例えば特許文献１，２参照）。この方法では、相分離に要する時間が長くなり、そのため膜厚を２００μｍ以上で空孔率を８０％以上にするのが工業的には困難であった。また、平均孔径を１０ｎｍ以下にすることも困難であった。

一方、セルロース誘導体、例えば酢酸セルロースよりミクロ相分離法によって多孔膜を作製する方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。この方法で得られた酢酸セルロース多孔膜を、ケン化反応により再生セルロース多孔膜に変化させることは原理上可能である。
しかし、この方法では主鎖の切断が起こり、機械的強度の低下が著しく、特に空孔率の大きな多孔膜に適用するのは困難である。また、ケン化処理による孔特性の変化も起こるため、ミクロ相分離法とケン化処理との組み合わせによる再生セルロース膜の実用化例は知られていない。

再生セルロース固体内部には、分子間水素結合が良く発達した部分とそうでない部分とがある。最も良く発達した領域は結晶領域となり、多孔膜の形態安定性を与えるためには適度な結晶化度が必要と考えられている。
また、多孔膜を水等の液体中に浸漬した際の膨潤度は、分子間水素結合の発達度に強く依存する。分子間水素結合の方向に依存して膨潤度に異方性が生じる。従って、この異方性のために膜の使用時での液体の種類により物質の透過機能に変化が現れ、使用時に膜が変形する。

分子間水素結合の発達度は、動的粘弾性温度特性より評価される（例えば非特許文献３参照）。分子間水素結合がほとんど発達していない領域内において、セルロース分子鎖のミクロブラウン運動に原因した力学的吸収は、１１５〜２００℃の温度領域に出現する。結晶領域外の領域で、最も分子間水素結合が発達した領域内において、セルロース分子鎖のミクロブラウン運動による力学的吸収は、２８５〜３０５℃の温度領域に現われる。
従って、分子間水素結合発達度を以下の数１の式で定義する。

ここでＴ_sは試料の力学的損失正接の値が０．１となる際の温度、Ｔ_Oは最も分子間水素結合が発達していない試料の力学的損失正接の値が０．１となる温度（１１５℃）、Ｔ₁₀₀は最も分子間水素結合が発達している試料の力学的損失正接の値が０．１となる温度（３０５℃）である。

既存の再生セルロース固体試料の分子間水素結合発達度の例として、銅安法衣料用繊維では８５〜９５％、人工腎臓用中空糸では７５〜８５％、ウイルス除去用中空糸膜では４５〜５５％、ビスコース法の平膜（セロハン）では４５〜６０％である。この値が大きいほど水に浸漬した際の試料の膨潤異方性が大きい。

平膜では、有効膜面積が大きくなると膜の支持体の力学的強度を大きくしなくてはならないため、支持体の材質としてはステンレス製となり、膜分離装置としては重く取り扱い性に問題があり、さらに高価になる。
軽量で安価でかつ平膜モジュールのハウジングを再利用可能にすることによって、膜分離コストを大幅に低下させる。膜分離コストの低下により膜分離技術はあらゆる産業に利用できるようになる。

バイオ医薬品工業、食品工業で利用される膜技術は微生物感染に対する安全性対策といえる。将来、未知の感染性物質が出現する可能性もあるので、安全性対策はこれらの未知の感染物質に対しても、確実に除去できることを明らかにしておかなくてはならない。
そのためには、除去機構が明らかな膜分離技術でなくてはならない。吸着機構等のように、親和力に関連した作用での除去では、未知感染物質においては除去効果が予測できないので、この作用での除去効果は極小化していなくてはならない。

微粒子からの感染防止に利用される膜は、その平均孔径が次第に小さくなっている。
例えば、エイズウイルス除去用には平均孔径１００ｎｍ、Ｂ型肝炎ウイルスやＣ型肝炎ウイルス除去用には平均孔径３５ｎｍ、パルボウイルス除去用には平均孔径１５ｎｍまたは２０ｎｍ、の除去膜が採用されている。
今後はウイルスのみでなく、さらに小さなプリオン除去性を持たさなくてはならない。平均孔径が小さくなると処理速度のみでなく、濾過の場合には目詰まりが起りやすくなる。

要求される微粒子除去性能は、対数除去係数で４以上から５以上の高い除去性能が要求されている。平膜でこの性能を満足させるには、微粒子除去能と膜構造との関係が明らかでなくてはならない。しかし、現在までその関係は明らかにされていない。平膜での膜厚の役割は、力学的強度と取り扱い易しさとを求めるため、１０μｍ〜１００μｍ程度に設計されている。膜分離性能を膜表面での孔径分布を鋭くすることで高めることは可能と考えられているが、この考えは本発明の目的を達成するのにほとんど役立たない。

膜分離速度を上昇するには膜厚を小さく、また平均孔径や空孔率を大きくすることが考えられる。微粒子の除去対象が小粒子になると平均孔径は当然小さくなくてはならない。このような状況下で膜処理速度を増加させるのに、空孔率（Ｐｒ）を大きくすれば良いことは原理上明らかである。

しかし、空孔率（Ｐｒ）を大きくすれば膜の力学的性質が低下する。通常、空孔率は０．６〜０．７に設定されている。力学的性質の要求が強くなければ空孔率（Ｐｒ）をさらに大きくすることは必要である。しかし、平均孔径を小さく保ったままで０．７以上の空孔率（Ｐｒ）を可能にする方法は現在まで提案されていない。

安全対策で利用される膜モジュールは、使用前に通常滅菌処理を受ける。この処理によって、膜の形態の変化が起る可能性がある。そのため、滅菌処理による形態変化を予測し、予め膜の形態を定める必要がある。しかし、もし形態変化が等方的で、かつ、その変化がわずかであれば膜モジュール設計が容易となる。

平均孔径を１０ｎｍ以下と小さく、また膜厚を２００μｍ以上と大きく、空孔率（Ｐｒ）を０．８以上に大きくし、多層構造を持った再生セルロース平膜で分子間水素結合の発達度を４０％以下にする製膜法があったとしても、濾過による処理量は小さく、膜処理コストは大幅に上昇し実用化されない。

（非破壊式の平膜検査方法）
温和な条件下で物質を分離する技術として膜分離技術は重要である。特にバイオ医薬品や食品の製造等に利用される膜には感染性粒子（ウイルスや細菌など）を除去する役割も期待される。

バイオテクノロジーにおいて、その原料物質中に含まれる微粒子には、プリオン・ウイルス・細菌などの感染性微粒子の他に、タンパク質などの会合体や変性物などがある。これらの微粒子が最終製品の中に混入すると、種々の感染症や発熱の原因となる。
そのため、バイオ技術で得られる製品の製造工程では、上記の微粒子の除去、あるいは、不活化工程が必要である。特に、バイオ医薬品や食品の製造工程中では、微粒子対策は不可欠である。

ウイルス除去膜や除菌用フィルターは既に商品化され、除プリオン膜技術も近い将来市場に出現する可能性がある。
膜分離方法として、膜濾過技術・孔拡散技術・拡散透析技術が知られている。
膜濾過技術は、膜間差圧を物質移動の駆動力とする。
孔拡散技術は、膜中の孔を通して、物質の濃度勾配を駆動力とし、物質の分子自身の持つ熱運動性（いわゆるブラウン運動）の差を利用した分離と膜中の孔の径と粒子径との関係で生じるふるい効果によって分離する。
拡散透析技術は、半透膜をへだてた濃度差を物質移動の駆動力として、膜と物質との親和力差と膜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分子の大きさとの差で分子を分離する。

バイオ医薬品の製造工程では、ウイルス除去膜が濾過技術で利用されている。
ここで、ウイルス除去膜とは、（１）ウイルス除去性能が対数除去係数として４以上（すなわち１０⁴個のウイルスに対して処理液中のウイルスは１個以下）、（２）ウイルス除去機構がふるい機構であること、（３）除去性能に再現性がある膜である。

ウイルス除去膜や除菌膜、あるいは、将来出現が予測されるプリオン除去膜においては、使用後の膜について完全性試験の実施が義務付けられている。即ち、膜を実際に使用されている間に、膜があらかじめ設定された除去性能以上の性能を保持していたことを実証する試験を、膜使用者が実施しなくてはならない。
完全性試験とは、使用後の膜に対して膜の使用者が、膜の利用状況下では当初の設定通りの膜の機能が発する状況であったことを確認する試験である。

膜の完全性試験法には直接法と間接法との二種類が提案されてきた。
直接法とは、ある特定された大きさを持つ微粒子を同等の大きさのウイルスのモデル物質とみなし、この微粒子を分散した水溶液を用いた膜の微粒子除去性能を測定する試験法である。実際に使用されている微粒子は金コロイド粒子である（例えば特許文献３参照）。
濾過による除去性能を測定し、その値があらかじめ設定した値以上であることを確認する。

この方法では、粒子の膜による除去性能を直接測定しているため、原理上明解であり、大きさで除去する機能を持つ膜の完全性試験法として優れている。しかし、この方法による検査では、検査後には金コロイド粒子が膜内部に残存するため、検査後の膜を再利用することができない。孔中の金を完全に除去することは不可能に近いため、実際には試験後の膜は廃棄物として取り扱われる。すなわち膜の孔構造は完全性試験によって破壊されたことになる。即ち、検査としては破壊検査である。

金粒子濃度の分光器による測定において、除去性能としての測定では、対数阻止係数表示で３（原液中の濃度と処理液中の濃度の比が１０００）であり、直接法の性能試験としての精度が不十分であるという問題点を持つ。現在では、この方法で確認されるのは、孔径分布の広がりの変化であると解釈されている。

また、金コロイド粒子はタンパク質と結合しやすく、そのため、完全性試験を行う前に使用後の膜を、苛性ソーダ等を用いて洗浄する必要があるという問題点を持つ。
ここで、微粒子対数阻止係数とは以下の数２の式で定義される。

一方、完全性試験での間接法では、膜による微粒子の除去性能を直接測定することはなく、膜の孔特性に関連した特定の物性値を測定する。この物性値によって、使用後の膜について間接的に微粒子の除去性能が設定された基準以上に保持されていることを確認する。しかも、孔特性自体を直接的に観察しているのではなく、大部分は界面特性を確認している検査方法といえる。そのため、使用後の膜を洗浄して界面特性を設定した範囲内に入れることが不可欠である。

間接法での実際例では、例えば、一定の膜間差圧を与えた際の液体の膜透過速度を測定する（例えば特許文献４参照）。或いは、膜中の孔を介して平衛状態にある２種の液体相を接触された際に生じる界面張力に抗して、一液体を加圧して液体が孔を通過する瞬間の圧力より孔径が定まり、この圧力が所定の圧力以上であることで、膜中の最大の孔の大きさが設定された孔径内であることが原理上確認できる（例えば特許文献４参照）。

現在までに提案されている間接法は、何れも界面特性を利用しているため膜の洗浄が不可欠である。また、界面張力の大きな流体の場合は膜への負荷圧が大きくなるため、完全性試験によって孔が力学的に変形あるいは破壊される。従って、利用する液体の種類によっては、試験法としては破壊試験法となっている場合が多い。

従来から提案されてきた直接法あるいは間接法の完全性試験法では、いずれの方法でも使用後の膜を洗浄して完全性試験の正確度を高めなくてはならない現状である。その理由は、２つある。１つめの理由は、直接法では、採用されている微粒子が金のコロイド粒子であり、この粒子はタンパクとの相互作用が強く、膜中にこれらの物質が残存すると、金コロイド粒子の孔中の捕捉能力に変化を起す。２つめの理由は、膜分離技術として膜濾過技術を採用しているため、膜表面には濾過対象水溶中の成分が濃度分極を起こしてこれらの成分が膜表面或いは膜内部の孔中に濃縮している。そのため完全性試験前の膜の洗浄は不可避である。

膜の微粒子除去能を確定する性能試験（膜のバリデーションテストと言われ、通常、膜メーカーが実施する）の方法として、直接法と間接法との二種類がある。性能試験は膜の使用前に膜のメーカーが行なう試験である。直接法としては金コロイド粒子を用いる方法があり、これは破壊テストとなるので抜取り検査となる。即ち、現在までは提案された直接法は製造ロット内での集団としての平均値としての性能試験の位置づけである。

全数検査での性能試験は、現在まで間接法のみが提案されている。全数検査であるので検査によって膜が破壊されてはならない。この試験法としては、例えば、孔を介して気体と液体との表面張力を利用して、最大径またはその近傍の孔の寄与による気体の透過速度を測定する。この際の液体として表面張力は小さく、また検査後膜に残留する可能性が少ない低沸点の液体が選定される。
この方法では、膜としては乾燥状態であることが必要であり、また使用液体中への膜からの溶解成分がないことが必要である。孔径が小さくなると本検査法で適用とされる膜間差圧は１０気圧以上となる。

また完全性試験自体が膜の孔構造を破壊するものとの考えが定着し、膜を再利用する試みがなされていない。特に膜の供給側である膜の製造者からは再利用を禁止する傾向さえある。そのため完全性試験の終了後には膜を破棄するのが一般的である。
このように、膜の再利用は微粒子除去分野では不可能と考えられていた。その理由として、（１）一度使用した膜の微粒子除去能が不明であり、しかも完全性試験の大部分が破壊テストである、（２）使用後の膜中に残存する物質は完全に除去することは不可能に近く、除去を定量化できない。（３）膜の再生工程を入れたプロセスバリデーションは困難である、という点がある。

理由（２）、（３）については、定められた再生処理後の膜において、膜メーカーが実施する方法で微粒子除去性能が確定されているならば、すなわち理由（１）が解消されているならば、いずれの理由も適正な膜処理法システムを採用すれば容易に解消される。
例えば、再生処理を４回繰り返しても微粒子除去性能が目標値以上であったとすると、膜処理プロセスは、未使用膜・１回再生後膜・２回・３回・４回再生処理前の５本を単位とした膜処理システムを想定すれば、膜システム全体として常に膜システムとは同一性能を再現性良く実現できる。プロセスバリデーションで必要とされるワーストケースとして４回再処理後の膜のみで構成された膜処理プロセスが対応する。

特公昭６２−０４４０１７号公報 特公平２−４６６０８号公報 特開２００５−４０７５６号公報 特開平７−１３２２１５号公報

分離膜に関する調査第１巻、第２巻、第３巻（株）大阪ケミカルマーケティングセンター（１９８０，１９８１，１９８２） 高分子学会編、「高分子の物性（３）」共立出願、５０項、１９９５年 Ｓ，Ｍａｎａｂｅ ｅｔａｌ．Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｊ．Ｖｏｌ．１８（Ｎｏ１７）、ｐｐ１―１４（１９８６）

本発明の第１の目的は、孔拡散式平膜分離装置に関し、固液分離方法を膜間差圧の付加が必要な濾過ではなく、孔拡散を用いることで膜の目詰まりを緩和し、さらに膜の再利用が可能な孔拡散式平膜分離装置を安価に提供することにある。

本発明の第２の目的は、孔拡散の欠点となる目的物質の濃度低下を解消する平膜濃縮装置に関し、溶液中の特定成分を濃縮する機能を持ち、かつ軽量であり構成が単純であるため取り扱いが容易であるという特徴をもった平膜濃縮装置を提供することにある。
すなわち（ａ）濃縮された成分の回収率の増大（ｂ）濃縮中での浸透圧増加の極小化（ｃ）軽量化（ｄ）分子量１０００以上の中分子量の成分の濃縮（ｅ）連続的に濃縮可能（ｆ）サニタリー性を持たせ膜ハウジングが再利用可能な濃縮装置を提供することを目的とする。

本発明の第３の目的は、再生セルロース多孔膜に関し、孔拡散の実用化の観点より微生物除去のみでなく、有用物質の透過性、利用の容易さを考慮した多孔膜を設計し、該多孔膜の製法を提供することにある。

本発明の第４の目的は、平膜検査方法に関し、微粒子除去用膜として膜の再利用を可能にするため、非破壊式で直接法の膜の完全性試験法を用いる平膜検査方法を提供することを目的とする。

[１]孔拡散式平膜分離装置
本発明でいう孔拡散とは、膜中の孔を通して濃度差を利用した物質移動であり、物質分子のブラウン運動の活発度によって分離する機能を持つ。従来の拡散透析では半透膜を通した物質移動で、膜と物質との親和力と膜素材分子の熱運動性（即ち、ミクロブラウン運動）で分離する。孔拡散では、物質と膜素材分子との親和力が大きくなると、拡散係数は低下するが透析拡散では逆に大きくなる。

そこで、発明者らはこの様な状況を鑑み、平膜モジュールの構成や構造、部材を検討した結果、平膜部分を支持する支持板構造とし、孔拡散を行うのに適したモジュールの構造を種々検討して、上記問題を解決できることを見出した。

上記第１の目的を達成するための本発明の孔拡散式平膜分離装置の第一特徴構成は、複数の孔を備えて孔拡散式によって溶液中の特定の分散物を分離する平膜と、流路を片面あるいは両面に設けた平板状支持体とが交互に配置されるようにそれぞれ複数備え、前記平膜が、平均孔径が２ｎｍ以上２μｍ以下であり、かつ、空孔率が０．４〜０．９であって、前記流路の空間体積と前記平膜の膜面積との比が０．０４〜０．４センチメートルの範囲となるように設定し、前記平膜を介して上下の前記平板状支持体の前記流路における前記溶液の流れ方向が実質的に同一方向になるよう、前記平板状支持体の側面の少なくとも２箇所以上に、前記流路と連通する通水路を設け、前記平板状支持体と前記平膜とが分解および組立てを可能とした点にある。

本構成では、孔拡散式に限定した点に最大の特徴がある。孔拡散では膜間差圧を事実上負荷してはならない。すなわち、膜には圧力（膜間圧差）がほとんど負荷されていない。そのため、濾過用の場合と異なり、大きな有効濾過面積の平膜モジュールが可能になる。孔拡散用モジュールにおいて膜の支持体の役割は液の流れ回路の適正化と液体の流れに伴う圧力発生の防止にある。

本構成の孔拡散式平膜分離装置において、複数の孔を備えて孔拡散式によって溶液中の特定の分散物を分離する平膜と、流路を片面あるいは両面に設けた平板状支持体とが交互に配置されるようにそれぞれ複数備え、流路の空間体積と平膜の膜面積との比が０．０４〜０．４の範囲となるように設定し、前記平膜を介して上下の前記平板状支持体の前記流路における前記溶液の流れ方向が実質的に同一方向になるよう、前記平板状支持体の側面の少なくとも２箇所以上に、前記流路と連通する通水路を設けている。
実質的に同一方向とは、２種類の液体を流すのに必要なそれぞれの圧力勾配の方向が９０度以内で一致していることを意味する。

流路の空間体積と膜面積との比が０．０４未満であると、液体の流れが著しく滞ってしまう恐れがあり、スムーズな孔拡散の妨げとなる。また、この比が０．４を超えると液体と膜との接触部分が減少し、効率良く孔拡散を行うことが難しくなる。
よって、これらの比が０．０４〜０．４（単位としてはセンチメートル）の範囲にあれば、液の流れをスムーズに維持でき、効率よく孔拡散を行える点から孔拡散を行う際のメリットが十分に得ることができる。

孔拡散を行う為、膜を介して上下の支持体の流路を同一方向にすることにより、液体の流れに伴う圧力（流れを生じさせる圧力勾配の方向が同一）を膜の上下で同一にすることが可能となり、膜間差圧の発生を抑えることができる。

また、該支持体の側面に流路から通じる通水路を２箇所以上設けることにより、一定速度で拡散処理を受ける液（以降、被拡散液と略称）と拡散物質が流入する拡散液（以降、拡散液と略称）を流すことができる。拡散時、被拡散液は膜の下を流れるように流路に沿って流れ、また、拡散液は膜の上を流れるように流路に沿って流れていく。拡散膜を介して孔拡散が起こり、一定速度で被拡散液と拡散液とが混入することなく流れが起これば、拡散における定常状態が実現できる。すなわち、定常拡散状態が達成される。

定常状態での拡散が実現できれば、孔拡散を利用した物質分離工程として連続プロセスが可能となる。また、該支持体の通水路を側面に設けることにより該支持体を積層することが可能となり、装置全体としてのコンパクト化が可能となると共に、膜面積の調節が容易に行えるため、有効膜面積を自由に変えることができる。

さらに、本構成では、前記平板状支持体と前記平膜とが分解および組立てを可能としている。支持体の枚数を複数枚重ねることで、任意の膜面積に調節でき、平膜、モジュール共に再利用が可能となる。

ここで、従来の濾過による分離方法では、膜に圧力をかけるため孔内で流体としての流れが生じ、液中の物質にもずり応力がかかり、孔内で分子の力学的変化と目詰まりが生じる。また、膜にも圧力がかかるため、膜自身も圧密化が起こり好ましくない。つまり、膜、支持体とも濾過で分離を行った場合再利用することが難しく、結果としてコストが高くなるという問題がある。

本構成において、孔拡散による分離方法は、物質の分子自身の持つ熱運動性であるブラウン運動を利用するため、孔の目詰まりも緩和され、また、分子の力学的変形もない。よって、膜には力学的に大きな負担がかからないため、例えば、膜表面のみを洗浄するなどの簡単な再生処理を施すことで、膜と支持体と含むモジュールは再利用することが出来るので、使用する膜コストが下げられる。

本発明の孔拡散式平膜分離装置の第二特徴構成は、前記平板状支持体の上面及び下面の少なくとも一方の周縁部に高分子弾性体からなるパッキングを備えた点にある。

本構成によれば、膜が支持体に密着固定され、かつ液の漏れを防止し孔拡散を促すために、膜支持体の片面或いは両面上にパッキングを施し支持体と一体化させることにより取り扱いと組立てが容易となる。パッキング素材として高分子弾性体で耐熱性と耐アルカリ性を持つ素材が望ましい。

本発明の孔拡散式平膜分離装置の第三特徴構成は、前記平板状支持体が、耐熱性・耐衝撃性・耐アルカリ性・耐酸性・軽量かつ透明性を兼ね備えた素材であるポリカーボネート・ポリアミド・ポリアセタール・ポリスルホン・ポリエーテルスルホン・ポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される点にある。

本構成によれば、膜支持体が耐熱性、強靭性、耐アルカリ性、耐酸性であり、軽量かつ透明性を兼ね備る。ここで、耐熱性とは１００℃の熱水あるいは１１０℃の蒸気処理に耐えられる性質を意味し、耐アルカリ性とは０．１規定の水酸化ナトリウム水溶液に対しての耐性で、耐酸性とは０．１規定の塩酸に対する耐性を意味する。具体的には、膜支持体は、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、の素材から選ばれる。

本発明の孔拡散式平膜分離装置の第四特徴構成は、前記平板状支持体の通水路に着脱可能な耐熱性の連結部材を有し、かつ前記平板状支持体をポリカーボネートとした点にある。

本構成によれば、モジュールのサニタリー性をより確実にするために、膜支持体の通水路に着脱可能な連結部材を用いると良い。使用後のモジュールを洗浄する際には、この連結部材を外し洗浄しやすくする。連結材の素材としては、ポリカーボネート製で、耐熱性を有するものが望ましい。

[２]平膜濃縮装置
上記第２の目的を達成するための本発明の平膜濃縮装置の第一特徴構成は、平均孔径が１〜３ｎｍとなる複数の孔を備えて膜濾過によって溶液中の特定の分散物を分離する平膜を、平板状の支持体で狭み、少なくとも２枚の前記平膜と、少なくとも３枚の前記支持体を有し、前記支持体には前記溶液の流入口と流路と流出口を形成し、前記平膜に対して、原液である前記溶液側の圧力を大気圧以上に加圧し、同時に、前記平膜を通過した濾液側を大気圧以下に減圧することで膜間差圧を発生させ、濾過と同時にパーペーパレーションを起こさせ、前記溶液を前記平膜の表面に対して略平行に流動させながら濾過する平行濾過により前記溶液中の成分を濃縮する点にある。

本構成の最大の特徴は膜として平膜を利用した点にある。平膜を利用することにより濃縮の際の回収率を高めることができる。中空糸膜を用いた場合には支持体なしで膜間差圧を高めることが可能であり、原理上濃縮率を高めることが可能である。しかし、中空糸内壁部に濃縮率が最も高い成分が残存することが多く成分の回収率は低下する。膜表面での濃度の高い部分を効率良く回収することが回収率を高めるために不可欠である。
本構成のように平膜化することで、膜表面の濃度の高い部分を少量の水等を用いて溶解回収が容易であり、さらに平膜モジュールを個々に分解し、平膜の表面を物理的に洗浄回収することも可能である。
平膜の厚さは、操作性と水の膜透過速度より１０〜５０μｍとするのが好ましい。

本構成では、平均孔径１ｎｍ以上で３ｎｍ以下の膜を使用する。平均孔径を１ｎｍ以上にすることで分子量２００以下の水溶性物質（例えば金属塩、アミノ酸、酢酸、エチルアルコール等）の濃縮率を低く抑え、膜間差圧を１気圧以下での膜濃縮を可能にする。平均孔径を３ｎｍ以下にすることにより、分子量１０００以上の物質を濃縮することが可能である。

また、本構成では、前記平膜に対して、原液である前記溶液側の圧力を大気圧以上に加圧し、同時に、前記平膜を通過した濾液側を大気圧以下に減圧することで膜間差圧を発生させ、さらに平行濾過により前記溶液中の成分を濃縮することが可能なように支持板には複数の液体の流出口を設けている。
膜間差圧の発生を、膜を介して加圧と減圧とを組み合せることによりモジュール全体として負荷される圧力を大幅に減少させることが可能となり、膜モジュールの軽量化が可能となる。また、濾過とパーペーパレーションが同時に起こるため、濃縮速度が増加する。

本発明の平膜濃縮装置の第二特徴構成は、前記平膜・前記支持体・前記流入口・前記流出口のそれぞれを分解可能に構成し、さらに、洗浄可能かつ再組み立てを可能とした点にある。

本構成によれば、平膜を用いることにより平膜・支持体・流入口・流出口のそれぞれの部材を分解および組立てが容易な設計が可能になる。使用後の平膜モジュールを分解し洗浄、組立てをすることにより膜モジュールとしてのサニタリー性が確保される。
平膜・支持体・流入口・流出口をそれぞれ自在に分解できるようにすることで、支持体や流入口・流出口の洗浄、消耗部品や平膜の交換を容易に行うことが可能である。
また使用後の平膜のみを集めて膜表面の濃縮成分を集めることにより、回収率を高めることができる。

本発明の平膜濃縮装置の第三特徴構成は、前記支持体はポリカーボネート製であり、前記支持体の表面には、前記流路として前記溶液の流れ方向に沿った溝が彫られ、前記流入口および前記流出口が前記支持体の側面にあり、かつ、前記支持体の上面および下面の少なくとも一方の周縁部にパッキングを貼り付けた点にある。

本構成によれば、軽量であるプラスチックの中でも耐圧性や耐薬品性に優れたポリカーポネートを支持体として用いることで装置全体の重量を軽くし、装置の運搬や組み立て及び分解、洗浄時の作業を容易にすることができる。

支持板の表面には液の流れ方向の制御のために溝を形成している。
流入口および流出口を支持体の側面に設定することにより、濾過面積を容易に変えることができる。
さらに、支持体の上面および下面の少なくとも一方の周縁部にあらかじめパッキングを貼り付けておくことで、装置の組み立て作業が簡便化される。パッキングは手によって容易にはがすことが可能な程度の密着状態が望ましい。

本発明の平膜濃縮装置の第四特徴構成は、組み立てた際に最も外側に配置される２枚の前記支持体と、それぞれに隣接する前記平膜との間を減圧状態とした点にある。

本構成によれば、例えば支持体であるポリカーポネートは、ステンレスなどの金属に比べると頑強さに欠けるという難点があるが、支持体を複数枚重ね、最も外側の支持体と平膜との間の空間を減圧状態にすることで、装置全体が内側方向に向けて力がかかり、安定状態を保つことができるため、この難点は解決される。

本発明の平膜濃縮装置の第五特徴構成は、前記平膜の平均孔径を２ｎｍ以下とした点にある。

本構成によれば、平均孔径を２ｎｍ以下にすることにより、ペプチド等の中分子量物質を有効に濃縮することができる。そのため多孔膜中の孔を利用した拡散分離における拡散液中の機能物質を効果的に濃縮できる。
尚、平均孔径が１ｎｍ未満の場合には分子量２００未満の多種の物質が混在している通常の水溶液での膜濃縮では、濃縮率の増大に伴い膜間差圧を増大させなくてはならない。膜間差圧の増大は支持板の耐圧性を高めなくてはならなくなり、モジュールは重くなり取り扱いが難しくなる。

本発明の平膜濃縮装置の第六特徴構成は、前記平膜を親水性高分子で構成した点にある。

本構成のように平膜を親水性高分子で構成すると、平膜にタンパク等の水溶性物質が吸着し難くなる。

本発明の平膜濃縮装置の第七特徴構成は、前記親水性高分子を再生セルロースとした点にある。

本構成によれば、再生セルロースは他物質（タンパクなど）との吸着性が低く、耐熱性が高く、高圧蒸気滅菌が可能であるため、取り扱いが容易となる。

[３]再生セルロース多孔膜
上記第３の目的を達成するための本発明の再生セルロース多孔膜の第一特徴構成は、平均孔径（２ｒｆ）が５〜５００ｎｍ、膜厚（ｄ）が５０〜５００μｍ、空孔率（Ｐｒ）が０．６〜０．９の多層構造を有する再生セルロース膜で、分子間水素結合の発達度が４０％以下とした点にある。

本構成の特徴は、膜としては孔拡散用平膜とした点にある。孔拡散を利用すると原理上膜間差圧は零でも良いので、膜に対する力学的性質への要求機能は低レベルで良い。孔拡散では物質の膜拡散速度のみに依存し、平均孔径とはほぼ無関係である。孔拡散では膜内部の孔の目詰りは起らない。平膜モジュールでは、液体を流動させるための流動抵抗がほとんど発生しないため孔拡散に最適である。もちろん本発明の平膜は濾過にも流用できるが、濾過では孔拡散の特徴は消失する。

本構成では、再生セルロースを膜素材として利用している。水溶液からの有用物質を分離回収する際、再生セルロースは他物質（タンパクなど）との吸着性が低く、耐熱性が高く、高圧蒸気滅菌が可能である。微粒子除去を目的とする分離膜では微粒子除去機構が明確でなくてはならない。この目的には再生セルロース多孔膜が好適である。
再生セルロースは、セルロース誘導体、特にセルロースエステルをケン化処理することにより得られた再生セルロース膜の結晶化度を低めるのに適する。結晶化度の増加は粒子の積層構造を破壊する。

本構成では、平均孔径を５ｎｍ〜５００ｎｍとした。ここで、平均孔径は水の濾過速度法で測定された。従来の分離膜は濾過法で利用されているため、分離用膜では平均孔径が１０ｎｍ以下の膜は開発されていない。
血漿分画製剤あるいは牛血清等からのプリオン除去が要求されている。この目的を達成するには平均孔径５〜１０ｎｍの平膜での孔拡散法が最も期待される。従来のミクロ相分離法では平均孔径が小さくなると空孔率も小さくなる。そのため、たとえ平均孔径が１０ｎｍ以下の膜が開発されても濾過用膜であれば、濾過速度が小さく実用化は困難である。
本発明のように孔拡散法を採用することによって、初めて５ｎｍ〜１０ｎｍの小孔径膜は実用化の可能性が生じる。
例えば平均孔径９〜１０ｎｍをプリオン用、平均孔径２０ｎｍをウイルス除去用、平均孔径５００ｎｍを除菌用および除マイコプラズマ用として利用する。

ここで、平均孔径が５ｎｍ未満では、水溶液中のタンパク等の有用物質の膜中の透過速度が低下し、産業用分離膜としての実用性は消失する。場合によっては浸透圧が発生し、浸透圧による水の流れが起る。一方、平均孔径が５００ｎｍ以上では、単位膜面積当りの物質透過速度や処理液量のいずれもが孔拡散より濾過法が有利となる。

本構成では、乾燥状態での膜厚（ｄ）が５０μｍ以上５００μｍ以下であり、しかも多層構造を有する。
膜中での物質の移動速度は膜厚に反比例するので、膜厚は一般には小さければ小さいほど良い。一方多層構造を持つ膜の微粒子除去性能は、膜厚が大きければ大きいほど良い。膜厚が５０μｍ未満になると膜中に存在するピンホールの影響により微粒子除去性能が著しく低下する。５００μｍを越えると物質の膜透過速度が減少する。
孔拡散法では膜に対する力学的強度の必要度は低く、そのため、膜強度の上昇のための膜厚を大きくする理由はない。孔拡散による膜分離では膜厚を５００μｍ以上にすると、拡散液中の有用物質濃度が著しく減少する。

本構成では、空孔率（Ｐｒ）を０．６以上０．９以下とした。孔拡散の特徴として物質の膜透過速度に対して平均孔径はほとんど寄与せず、空孔率（Ｐｒ）が寄与することが明らかになった。従って、空孔率（Ｐｒ）として０．７以上０．８５以下がより好ましい。

本構成では、分子間水素結合の発達度を４０％以下とした。この発達度の低下は、一般的には結晶化度の減少をもたらす。さらに、水の膨潤の際の形態変化の異方性の減少をもたらす。該発達度が４０％以下にあると水へ浸漬した際の膜の形態変化がなくなり、平膜を支持体へ固定した際の膜の破損の可能性が減少する。さらに、高圧蒸気滅菌処理に伴う孔特性（平均孔径、空孔率、膜厚）や膜の形態変化がほとんど起らない。

本発明の再生セルロース多孔膜の第二特徴構成は、平均孔径（２ｒｆ）が８〜１００ｎｍ、膜厚（ｄ）が１００〜３００μｍ、空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積を５０μｍ以上とした点にある。

本構成のように、平均孔径が８ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば、除去対象物をプリオンとウイルス等に好適に適用できる。
また、膜分離の除去対象の微粒子が、ウイルスやプリオンの場合には膜厚（ｄ）は１００μｍ以上で３００μｍ以下であることが、除去性能と有用物質の透過性のバランスより好ましい。

孔拡散では膜間差圧は零に近いので、膜への力学的負荷が小さく、空孔率（Ｐｒ）を極限まで大きくすることは可能であるが、微粒子除去性能は空孔率（Ｐｒ）が大きくなると低下する。この低下は膜厚（ｄ）を大きくすることで防止できる。空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積が５０μｍ以上であれば、微粒子除去性能と有用物質の膜透過速度とのバランスをとることができる。

本発明の再生セルロース多孔膜の第三特徴構成は、空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積を１００μｍ〜２００μｍとした点にある。

本構成のように、空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積が１００μｍ以上で２００μｍ以下であれば、微粒子除去性能と有用物質の膜透過速度とのバランスをさらに良好にとることができる。

本発明の再生セルロース多孔膜の製造方法の第一特徴構成は、上記再生セルロース多孔膜の第一特徴構成に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法であって、セルロース誘導体であるセルロースエステルの溶液中に金属塩を１重量％以上添加した状態でミクロ相分離法で多孔膜とし、その後、ＰＨが１１〜１３の５０℃以下のアルカリ水溶液でケン化処理することによって製造する点にある。

本構成によれば、当該孔拡散用再生セルロース多孔膜は、（１）セルロース誘導体のミクロ相分離法による成膜法、（２）セルロース誘導体をケン化反応による再生セルロースにする方法、によって作製される。特に、ミクロ相分離用溶液中に金属塩を１重量％以上含むこと、特定されたケン化条件を選定することの組み合わせで作製できる。

セルロース誘導体としてセルロースエステル、特にセルロースアセテートがその入手の容易さとミクロ相分離を起させる溶媒系として非水系の溶媒が選定できる点で特に好ましい。非水系溶媒を用いることによりミクロ相分離を短時間で起こすことが可能であり、乾式法でのミクロ相分離が利用できる。
ミクロ相分離を短時間で生起させることが可能になれば、膜厚の大きな多層構造膜の作製が容易となる。セルロースアセテートの場合、良溶媒の種類も多く、重金属を含まない有機溶媒も簡単に溶媒系として選定可能である。特にこの場合、アセトンが好適である。

セルロース誘導体をケン化反応によって再生セルロース固体とした場合には、分子間水素結合の発達度が低くなることを発見した。この結合の発達度が低くなると耐熱性は低くなるが孔拡散用膜としては耐熱性の低下は問題とならない温度（２００℃以上）である。

またセルロースアセテートのケン化反応の場合では、ミクロ相分離後の膜内での分子間水素結合の方向がランダムのため、水に対する膨潤の異方性は生じない。また、高圧・高温での熱水処理に伴う変形にも異方性を示さない。ケン化反応によって一般には空孔率が増加し、同時に平均孔径は小さくなる。
ただし、ケン化前の膜の平均孔径が９ｎｍ以下の場合には、ケン化反応によって逆に平均孔径は大きくなる。この性質を利用して平均孔径１０ｎｍ以下の再生セルロース膜を作製できる。

流延用溶液中には良溶媒、貧溶媒、および界面張力制御剤の他に金属塩を１重量％以上含ませると、ミクロ相分離後の膜の支持体からのはく離、および表裏面の膜の孔特性を制御するのが容易となる。
金属塩としてはアルカリ土類金属の塩酸塩や酢酸塩が良い。特に塩化カルシウムが良い。金属塩を添加する際は結晶水を結合した化学物とすることにより、一定量の水分を含ませるのが良い。添加量はこの結晶水も含めた総重量で定める。

ミクロ相分離後の平膜をケン化処理する際には、セルロース誘導体の分子量低下が顕著でない条件下で行う必要がある。即ち、ＰＨが１１以上で１３以下のアルカリ水溶液で温度は５０℃以下の温和な条件で実施する。
アルカリ水溶液は苛性ソーダや苛性カリで調製する。このような温和な条件下でも反応時間は２４時間以内で十分であり、ミクロ相分離後の膜を乾燥、または、湿潤状態の何れでもかまわない。ケン化反応の進行が早いのはミクロ相分離後の平膜が多孔体であり、かつ固体部分が非晶状態にあるためであろう。

本発明の再生セルロース多孔膜の製造方法の第二特徴構成は、上記再生セルロース多孔膜の第二特徴構成に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法であって、セルロース誘導体である酢酸セルロースの溶液中に金属塩を１重量％以上添加した状態でミクロ相分離法で多孔膜とし、その後、ＰＨが１１〜１３の５０℃以下のアルカリ水溶液でケン化処理することによって製造する点にある。

本構成によれば、セルロースエステルとして酢酸セルロースを適用しているため、上述した再生セルロース多孔膜の製造方法の第一特徴構成の作用効果に加えて、入手の容易さおよび安全性よりに優れた方法となる。

本発明の再生セルロース多孔膜の製造方法の第三特徴構成は、上記再生セルロース多孔膜の第三特徴構成に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法であって、セルロース誘導体であるセルロースエステルの溶液中に金属塩を１重量％以上添加した状態で、前記セルロースエステルの良溶媒の蒸発によって生起されるミクロ相分離法で多孔膜とし、その後、ＰＨが１１〜１３の５０℃以下のアルカリ水溶液でケン化処理することによって製造する点にある。

本構成によれば、ミクロ相分離法を、セルロースエステルの良溶媒の蒸発によって生起されることとしているため、上述した再生セルロース多孔膜の製造方法の第一特徴構成の作用効果に加えて、蒸発過程でミクロ相分離を良好に生じさせることができる方法となる。

[４]非破壊式の平膜検査方法
上記第４の目的を達成するための本発明の非破壊式の平膜検査方法の第一特徴構成は、溶液中の特定の分散物を分離する平膜の再利用を可能とするため、貴金属以外の微粒子を利用した直接法によって、複数の孔を備えて孔拡散式によって前記平膜の粒子除去能が低下していないことを確認する完全性試験工程を有する点にある。

本構成では、微粒子除去性能の検査法と膜の完全性試験法とが同一となる。微粒子除去性能の検査法は膜メーカーが実施し、完全性試験は膜の使用者が行っていたため、両試験法は異なるのが一般的である。膜メーカーは膜の使い捨てを指導していたため、完全性試験は破壊試験であり、しかも、検出感度は除去性能の検査法としては不十分な状態のままほとんど技術進歩がない。両方法を同一にすることにより完全性試験で得られた実測値はそのまま除去性能の値を示している。

本構成では、完全性試験法として非破壊式で直接法を用いる。非破壊式であるために、使用後の膜は、完全性試験で得られた微生物除去性能を有する膜であることを確認したことになる。即ち、完全性試験が再利用する際の膜の性能試験の役割を果すことになる。
また、直接法であるため膜の界面的変化の影響を極小化することができる。完全性試験を行う前に膜に再生処理を施すとさらに好ましい。

完全性試験および除去性能試験のいずれでもコロイド分散液で膜処理する際、孔拡散を採用すると、試験に伴うコロイド粒子が膜内部に残留することがないので、試験後の膜再生は容易である。性能試験後に膜を利用して分離精製する工程において孔拡散法を利用すれば、膜の孔中にはほとんど残存物はなく、膜の再生利用がより容易となる。

本構成では、平膜を用いた膜分離技術での使用後の膜に完全試験を行う。平膜を用いた膜分離技術で完全性試験を必要とするのは、微粒子除去性能の確認のためである。この場合には膜分離技術としては膜濾過技術と孔拡散技術とが採用される。
前者の場合には溶液を流しながら濾過（平行濾過、タンジェンシャルフロー濾過、クロスフロー濾過といわれている濾過）であり、負荷される膜間差圧もデッドエンド濾過に比較して小さい。すなわち平膜を用いた微粒子除去の膜分離技術では濃度分極の効果を小さくした条件下で膜分離が実施される。そのため完全性試験を実施する前に必ずしも常に使用後の膜を溶解除去処理する必要がない。膜に吸着している成分と完全性試験で使用する微粒子とが水溶液中で吸着することがないことがあらかじめ確認されておれば、完全性試験前の膜の溶解除去は必ずしも必要ない。

平膜を用いた膜分離技術が孔拡散技術であれば完全性試験前の膜の溶解除去はほとんどの場合必要ない。孔拡散技術では膜内部に粒子等が目詰まりすることはほとんどない。そのため、孔拡散技術を膜分離技術として利用することが望ましい。しかし膜表面に特定の成分が吸着し積層化する場合がある。この場合には完全性試験に利用する微粒子と積層化した物質との間で吸着等の相互作用を起す可能性があるので、完全性試験前に膜の溶解除去が必要となる。

完全性試験前に膜の溶解除去の必要とする場合には、一般的には以下の順で溶解除去すれば膜の再利用にも好都合である。即ち、（１）膜の滅菌処理；過塩素酸水溶液中に浸漬するか、または過酸化水素水をモジュール内に充填する、（２）界面活性剤入りの０．１規定の水酸化ナトリウム水溶液でモジュール内を充填する、（３）蒸留水等の純水で逆洗し、さらに、（４）０．１規定の水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬し、（５）モジュール内外を水洗し、（６）０．１規定の塩酸水溶液に浸漬し、（７）水洗することによりＰＨをほぼ７にする。

従来の平膜での完全性試験法は間接法であった。平膜での間接法では負荷される膜間差圧は、モジュールの力学的制限のため通常１気圧以下である。そのため完全性試験に信用される溶媒は水以外であり、該試験後には膜内部に残存し、膜の物理化学的性質を変化させるため膜にとっては、完全性試験は破壊試験である。直接法で非破壊型の完全性試験の必要性は、従来のように微粒子除去膜が使い捨てである限りない。
膜を再利用する目的を膜分離技術開発に与えることにより、初めて平膜に対して直接法で非破壊型の完全性試験の必要性が生じ、本発明に達することができる。
非破壊型の完全性試験であるためには、該試験で利用する微粒子が化学的および物理的に安定であってはならない。具体的には貴金属以外の微粒子である必要がある。そのため従来の直接法で採用されている金コロイド粒子は不適である。

完全性試験としての非破壊型で直接法において、貴金属以外の微粒子を用いることによって、完全性試験後に膜に付着した微粒子を除去することが容易である。

本発明の非破壊式の平膜検査方法の第二特徴構成は、前記完全性試験工程の後に、前記微粒子を溶解除去する溶解除去工程を行う点にある。

本構成によれば、完全性試験によって使用された膜には、吸着や目詰りにより膜以外の物質が膜中に残存する。特に膜処理法として濾過を採用すると残存物は膜内部に存在する量が増える。この残存物を溶解除去工程によって溶解させることにより膜は再生される。
微粒子除去性能は、この膜に対する完全性試験で確認される。完全性試験によって大きな孔の物質輸送への寄与は明らかにできるが、孔全体の平均的性能は再生されていない可能性がある。より確実に再利用の可能性を確認するために、再生後の膜に対して、一定の膜間差圧下での水の濾過速度を測定し、設定範囲内にあることを確認するのが好ましい。

溶解させる方法として完全性試験終了後の膜を（Ａ）溶解除去する溶液に浸漬、（Ｂ）膜を洗浄液で逆洗、（Ｃ）モジュール内に溶解除去する溶液を充填し、ある期間保存後に当該溶液を除去する方法がある。

本発明の非破壊式の平膜検査方法の第三特徴構成は、前記溶解除去工程に用いる溶解除去剤が、前記平膜を構成する素材と化学反応して溶解・膨潤することなく前記完全性試験工程で用いた前記微粒子を溶解する性質を有する点にある。

本構成によれば、溶解除去工程に用いる溶解除去剤が、平膜を構成する素材と化学反応して溶解・膨潤することがないため、安定的に溶解除去工程を行うことができる。

本発明の非破壊式の平膜検査方法の第四特徴構成は、前記微粒子を水酸化第二鉄コロイド粒子とした点にある。

直接法の完全性試験で用いる微粒子としては無定形の低分子コロイド粒子が良い。無定形であるために溶解除去液による溶解速度が早い。
本構成のように、微粒子を水酸化第二鉄コロイド粒子とすれば、コロイド粒子の調整の容易さと、安定性、およびコロイド粒子濃度の測定が容易となる。
尚、水酸化第二鉄コロイド粒子の濃度は、塩酸等で水酸化第二鉄をイオン化して鉄イオンとし、分光法で測定する。

水酸化第二鉄コロイド粒子では、完全性試験後に酸を用いて簡単に該粒子を溶解除去できる。水酸化第二鉄コロイド粒子を分散した水溶液中に、親水性高分子添加剤と陽イオン界面活性剤あるいは非イオン性界面活性剤を添加すると、完全性試験時のコロイド粒子の安定性が増加する。

本発明の非破壊式の平膜検査方法の第五特徴構成は、前記平膜の素材が親水性高分子であり、かつ、前記溶解除去剤を塩酸とした点にある。

完全性試験を実施する前に必要に応じて膜の再生処理を行う。水溶液の溶解または分散した粒子等が膜処理時に吸着することを防止するには、微粒子除去用の膜の素材として親水性高分子が好適である。

試験後に水酸化第二鉄コロイド粒子を溶解除去するには、試験直後に酸処理すると、微粒子を容易に溶解することができる。当該酸としては、塩酸が入手および取り扱いの容易さ等から好ましい。
塩酸濃度としては、０．１〜１規定が高分子膜素材への影響が無視できる場合が多いため、望ましい。溶解除去剤を用いて微粒子の溶解除去を完全に実施するには、予め該微粒子を含む水溶液中に溶解除去剤を混合し、処理時間と微粒子成分のイオン化率との関係を定め、完全にイオン化する時間の２倍以上の処理時間と、処理温度を完全性試験の際の温度より１０℃高温に設定すれば良い。溶解除去後に水洗して溶解除去剤を完全に除去する。

本発明の非破壊式の平膜検査方法の第六特徴構成は、前記親水性高分子を再生セルロースとした点にある。

本構成によれば、特にタンパク質を含む水溶液の膜処理では素材高分子として再生セルロースが最適である。再生セルロース膜の再生処理法の典型的な方法は０．１〜０．２規定の苛性ソーダ溶液中に非イオン性界面活性剤を０．０１〜０．１重量％溶解した溶液に一定条件下で浸漬処理する。完全性試験前の再生処理の目的は、使用後の膜に吸着あるいは目詰りした成分によって、完全性試験用のコロイド粒子の分散状態が変化するのを防止するためであり、膜を使用前の状態に再生することではない。

本発明の孔拡散式平膜分離装置の概略図 平膜の上面視概略図 孔拡散式平膜分離装置の断面概略図 本発明の平膜濃縮装置の概略図 平膜濃縮装置の断面概略図 支持体の上面視概略図 再生セルロース多孔膜の膜断面の電子顕微鏡写真（３万倍）を示した図 完全性試験用装置の全体図を示した図 孔拡散に用いる膜を膜平面に対して平行に断面視した模式図を示した図 孔拡散技術の模式図を示した図 処理液と拡散液におけるそれぞれの滞留時間・濃度の関係を示したグラフ 回収率と流量との関係を示したグラフ

[１]孔拡散式平膜分離装置
以下に、膜の孔拡散機構を利用して固液の分離を行う孔拡散式平膜分離装置に関して説明する。

図１〜３に示したように、本発明の孔拡散式平膜分離装置Ｘは、複数の孔を備えて孔拡散式によって溶液中の特定の分散物を分離する平膜７と、流路２を片面あるいは両面に設けた平板状支持体１とが交互に配置されるようにそれぞれ複数備えている。
流路２の空間体積と平膜７の膜面積との比が０．０４〜０．４の範囲となるように設定している。
平膜７を介して上下の平板状支持体１の流路２における溶液の流れ方向が実質的に同一方向になるよう、平板状支持体１の側面の少なくとも２箇所以上に、流路２と連通する通水路３を設ける。

図１に、３枚の平板状支持体１、２枚の平膜７を用いて組み立てた孔拡散式平膜分離装置Ｘを示し、図２に平板状支持体１の平面視概略図を示す。本発明に使用する平板状支持体１は、平膜７を上下から挟むようにして平膜７を支持している。

形状は、固液分離方法を拡散式とすること、使用する膜が薄い平板上の平膜であることから、支持体は平板状としている。また、平板状支持体１の片面或いは両面に処理液をスムーズに通すための流路２を設けてある。
流路２は、拡散物質を含み一定速度で拡散処理を受ける溶液である処理液が、通水路３の入口３ａから出口３ｂに向かって流れる。また、流路２は、平板状支持体１の表面に凹型に加工され、通水路３の入口３ａから出口３ｂまで屈折して蛇行するように形成される。これにより、平膜７の全体に処理液を接触させることができるため、孔拡散効率が向上する。また、支持体１に流路２が設けてあることで、平膜７の全体が支持体１に密着するのを防ぐことができる。

流路２の深さは、孔拡散を効率よく行うことが出来ればどのような厚みでも良いが、処理液の平膜７に触れる面積がなるべく多くなるよう、薄い方が良い。好ましくは、０．０５センチメートル〜０．３センチメートル程度である。０．３センチメートルを超えると、それに伴い平板状支持体１の厚みも厚くしなければならず取り扱いが難しくなる。また、０．０５センチメートル以下であると、処理液の平膜７に触れる面積が減少するため効率よく孔拡散を行うことができず、液の流れが滞ってしまう。

平板状支持体１の側面２箇所以上に流路２に通じる通水路３を設け、処理液の出入口とする。この時、平膜７に圧力がかかることなく拡散を行うようにするために、平膜７を介した上下の液の流れは同一方向になるようにする。

本発明の孔拡散式平膜分離装置Ｘは、該支持体の複数枚を垂直方向に積層することで、任意の膜面積に調節することができる。

平板状支持体１の固定は、平板状支持体１の周囲に螺子穴４を開け、固定部材である螺子８，ナット９によって固定するのが好ましい。螺子穴４の個数、間隔は、モジュールの大きさ、面積によって調節すればよい。固定部材８，９としては、腐食性に優れているステンレス製などが使用できる。また、平膜７と平板状支持体１を接着剤などで固定しないので、これらの分解・組立てが可能となる。そのため、平膜７と平板状支持体１の一部が破損したとしてもその部分のみを取り替えることができ、さらに膜の再生処理がしやすくなり孔拡散式平膜分離装置Ｘのコストを抑えることができる。

平板状支持体１の上面及び下面の少なくとも一方の周縁部に、高分子弾性体からなるパッキング５を備える。
パッキング５の素材としては、平板状支持体１の当該周縁部を囲むように施し、平膜７をパッキング５で固定すること、処理液が孔拡散式平膜分離装置Ｘの側面から漏れることを防ぐこと、孔拡散を効率よく行うことができればどのようなものでも良い。
好ましくは、耐熱性・耐薬品性を兼ね備えた高分子弾性体であり、例えば、シリコーン系ゴムなどが使用できる。パッキング５と平板状支持体１との接着の程度は固定部材８，９で加圧した状態では密着し、平膜７と平板状支持体１とを分離した状態では弱く接着し、必要ならばパッキングを手で剥がす事が可能な状態であるのが好ましい。

平板状支持体１の素材としては、ポリカーボネート・ポリアミド・ポリアセタール・ポリスルホン・ポリエーテルスルホン・ポリエーテルエーテルケトン・ポリエチレンなどのプラスチックや、ステンレス・セラミックなどの無機材料などが適用できる。繰り返し使用することなどを考慮して、耐熱性・耐衝撃性・耐アルカリ性・耐酸性で軽量かつある程度の透明性を兼ね備えていることが望ましい。そのような性質を持つプラスチックとしてはエンジニアリングプラスチックがある。例えば、ポリカーボネートが特に好適に使用できる。

平板状支持体１の通水路３には、外部の流路と連結する連結部材６が着脱可能に設けてある。当該連結部材６の素材としては、どのようなものでも良く、例えばポリエチレンやテフロン（登録商標）などのプラスチックが使用できる。ただし、インライン滅菌などを可能にするためには耐熱性や耐蒸気性を持つ材料、例えばポリエチレン・ポリプロピレンの結晶性高分子材料が好ましい。

本発明の平膜７は、平板状支持体１と特別な接着固定を必要とせず、また、平膜７自体も特別な加工を行う必要がないため、平板状の膜であればどのような膜でも良い。しかしながら、分離方法に孔拡散を用いるため、平均孔径が約２ｎｍ以上２μｍ以下程度であり空孔率が４０％〜９０％の多孔膜であることが望ましい。

（実施例１）
ポリカーボネート板で作製した平板状支持体１（以下、支持体という）は、板厚約０．６センチメートル、縦４０センチメートル、横５０センチメートルの平板状である。片面あるいは両面に幅１．５センチメートル、深さ０．１センチメートルの凹型の流路２が、通水路３の入口３ａ・出口３ｂに亘って連通するように加工してある。

通水路３は処理液の出入口となる。この通水路３は、支持体１の側面において、流路２の先端と末端にくるように直径約０．４センチメートルの穴を、流路２とつながるように形成してある。これにより、処理液は一定方向の流れを確保することが出来る。

螺子穴４において、穴間隔は５センチメートルとした。支持体１に直接穴を開けている。ここに螺子８を差込み、支持体１を固定する。螺子８は、螺子穴４すべてを用いて固定する必要はなく、必要に応じて数と場所を調節すればよい。

パッキング５は、支持体１の流路２と螺子穴４の間に、幅約０．７センチメートルとなるようにシリコーン系の接着剤を直接支持体１に接着し、重合固化後に、厚さは０．０５センチメートルのパッキングとして形成した。このパッキング５により、孔拡散式平膜分離装置Ｘ内をさらに密封して平膜７を固定できる。

図１において、３枚の支持体１、２枚の平膜７を用いて組み立てた孔拡散式平膜分離装置Ｘを示す。外側の支持体１ａは、流路２、パッキング５を片面に設けており、側面に通水路３を設けてある。中間の支持体１ｂは、流路２、パッキング５を両面に設け、側面に通水路３を設けてある。

平膜７は再生セルロース製の多孔性平膜であり、平均孔径３０ｎｍ、空孔率６５％、膜厚１７０ミクロンであった。この平膜７は支持体１に形成したパッキング５と同等以上の大きさの膜面積（２０００平方センチメートル程度）を有する１枚膜である。この平膜７を支持体１で挟み螺子８で固定する。この時、支持体１の向きは流路２の向きが同じになるようにする。通水路３にポリエチレンの連結部材６を挿入し、孔拡散式平膜分離装置Ｘを作製して、連動ポンプにより孔拡散が可能な装置を組み立てた。

処理液として、平均粒径２７ｎｍの水酸化鉄コロイド溶液を用いた。本発明の孔拡散式平膜分離装置Ｘは、拡散時、一定速度で拡散処理を受ける処理液は平膜７の下を流れるように、入口側の通水路３ａからそれぞれ流路２に沿って流れていき、出口側の通水路３ｂを通り外部に集められた。また、拡散物質が流入する拡散液は平膜７の上を流れるように、入口側の通水路３ａから流路２に沿って流れていき、出口側の通水路３ｂを通り外部に集められた。
このとき、平膜７を介して孔拡散が起こり、処理液に存在する拡散物質が拡散液に流入し、さらに、一定速度で被拡散液と拡散液とが混入することなく流れが起これば、拡散における定常状態が実現できる。

また、パッキング５により、装置の密封度を上げ、平膜７の固定も十分に行うことができる。さらに、平膜７と平板状支持体１とがそれぞれ独立しているので、孔拡散式平膜分離装置Ｘを分解後に再度組立て直したり、平膜７の枚数を増やして膜面積を増加することが容易に行うことができた。

尚、処理液において、入口側の通水路３ａから流入させた処理液量Ｖ_A、濃度Ｃ_AIN、出口側の通水路３ｂから流出した濃度Ｃ_AOUT、および、拡散液において、入口側の通水路３ａから流入させた処理液量Ｖ_B、濃度Ｃ_BIN、出口側の通水路３ｂから流出した濃度Ｃ_BOUTに基づき、以下の数３，４の式が成立する。
このとき、Ｄ：孔内拡散定数、Ｓ：膜面積、ｄ：平膜の厚さ、である。

例えば、運転条件をＶ_A＝Ｖ_B＝Ｖ、Ｃ_BIN＝０とした場合、以下の数５，６の式が成立する。このとき、Ｃ_AOUTは処理液の濃度変化、Ｃ_BOUTは拡散液の濃度変化となる。

処理液と拡散液におけるそれぞれの滞留時間（ｈ）・濃度（ｇ/ｄＬ）の関係を示したグラフを図１１に示した。尚、滞留時間は、流路の容積を流量で割ることにより求めることができる。

回収率（％）は、処理液濃度減少量を処理液入り口濃度で割ることにより求めることができる。回収率（％）と流量（Ｌ/ｈ・ｍ²）との関係を示したグラフを図１２に示した。

上述した孔拡散式平膜分離装置Ｘでは、多孔膜が備える孔を介した物質の拡散現象を利用した平膜７が再利用でき、それによって孔拡散式平膜分離装置Ｘを安価に提供できる。

[２]平膜濃縮装置
以下に、生理活性物質を含む水溶液や産業廃棄物より抽出処理液中の有用物質等を含んだ溶液を、平膜を用いた平行濾過により有用物質を高い回収率で濃縮する平膜濃縮装置に関して説明する。

当該平膜濃縮装置は、平均孔径が１〜３ｎｍとなる複数の孔を備えて膜濾過によって溶液中の特定の分散物を分離する平膜を備える。図４〜６に示したように、平膜濃縮装置Ｙは、平膜７を平板状の支持体１で狭み、少なくとも２枚の平膜７と、少なくとも３枚の支持体１を有し、支持体１には溶液の流入口３ａと流路２と流出口３ｂを形成してある。
平膜濃縮装置Ｙは、平膜７に対して、原液である溶液側の圧力を大気圧以上に加圧し、同時に、平膜７を通過した濾液側を大気圧以下に減圧することで膜間差圧を発生させ、溶液を平膜７の表面に対して略平行に流動させながら濾過する平行濾過により溶液中の成分を濃縮する。

公知の方法で湿式成膜されたセロハン膜を、９５℃の熱水中において自由端で１時間処理する。処理後に水を切り、窒素気圧中にて１８０℃で乾熱処理して平均孔径を１．５ｎｍ・空孔率２０％の再生セルロース膜を作製した。再生セルロースは親水性高分子の一例である。
空孔率は見掛けが密度法により、再生セルロースの密度を１．５４ｇ／ｍｌとして膜の見掛け密度の実測値より算出する。平均孔径は、純水の一定膜間差圧下での濾過速度を測定することにより算出する（濾過速度法と呼称されている方法）。

ポリカーボネート製の支持体１（厚さ６ｍｍ，縦４５ｃｍ×横５５ｃｍ）に深さ約１ｍｍの溝を形成して流路２を構成してある。支持体１の周囲には、シリコン系の充填剤を接着してパッキング５を形成する。パッキング５の厚さは、例えば０．５〜１ｍｍである。流路２には、支持体１の外部の流路と連結するための流入口３ａ・流出口３ｂ（内径３ｍｍ）が側面に二箇所設置され、流入口３ａ・流出口３ｂには着脱可能な連結部材が挿入される。

上記の方法で作製した再生セルロース膜を支持体１で挟むようにして、２枚の再生セルロース膜と３枚の支持体１とを組み付け、支持体１をボトルで締め、固定化する。その後、連結部材を流入口３ａ・流出口３ｂに挿入して外部流路に接続する。外側の２枚の支持体１ａの空間部を−０．２気圧下で膜間差圧が０．３気圧になるように、中間の支持体１ｂに加圧状態で処理液を流入させる。例えば、３Ｌの処理前液を３００ｍＬに濃縮するには、有効濾過面積１ｍ²の場合で約１２時間の濾過が必要である。

（実施例２）
図４は平膜濃縮装置Ｙを簡易的に示した図であり、平膜濃縮装置Ｙは支持体１と平膜７が交互に重なった構造となっている。外側の支持体1ａには大気圧が作用し、支持体相互の密着性が増大しパッキングの効果が増大する。

図５は図４の平膜濃縮装置Ｙの縦断面図を簡略的に示した図である。点線は、間に挟まれる複数枚の支持体と平膜を省略したことを示す。このとき、外側に配置される支持体１ａと平膜７との間の空間１０は減圧状態であり、空間１１は加圧状態とする。加圧側の支持体にも流路が形成してある。この流路により、濃縮液の回収が容易となり、必要ならば逆洗が可能となる。

図５の中間に配置される支持体１ｂと平膜７に関しては、平膜７を挟んで上側の空間を加圧、下側の空間を減圧とする。加圧側と減圧側との区別を容易にするために連結部材の位置を予めずらして挿入するとよい。

加圧状態にある空間に処理液を流すと、減圧状態にある空間との膜間差圧により濾過が行われ、平膜７を透過した処理液は減圧状態にある空間のほうへと流れ込む。
膜面積を有効に濾過に利用するためには、加圧状態にある空間部の空気を除去しなくてはならない。そのため、流入口３ａ・流出口３ｂへ空気が流出しやすくするために、平膜濃縮装置Ｙを垂直に立てたり傾斜させる必要がある。処理液の濃縮率を高めるには、溶液の流れ速度を遅くしたり、あるいは繰り返し濾過を実行する。回収率の低下が起こらないためには濃縮率は１０倍以下が良い。

図６は支持体１の平面図である。支持体１の上面および下面の少なくとも一方の周縁部にパッキング５が形成してあり、処理液の流れる面の全体に処理液の流れ方向に沿って流路２が形成してある。これらの加工は両面に施してあるが、最も外側に配置される支持体１ａに関しては片面のみである。支持体１の素材はポリカーポネート製で、耐熱性と耐衝撃性に優れる。

モジュールの状態で長期保存する場合、ＰＨ＞９のアルカリ性水溶液を入れた状態での保存は、支持体１にひび割れが生じる虞があるため、避けるべきである。そのため、アルカリ性水溶液に代えて、５０％のエタノール水溶液が良い。

支持体１に流路２が設けてあることで、平膜７の全体が支持体１に密着するのを防ぎ、処理液を平膜７の全体に円滑に流すことが可能である。流路２の溝の形状は前記作用の他に濃縮液の回収の容易さ、洗浄の際にも平膜７が支持体に密着しないように設計すべきである。溝の深さは１〜２ｍｍ、溝間の間隔は２ｃｍ以下であることが好ましい。

図５の空間１０を減圧状態にすることで、外側の支持体１は平膜濃縮装置Ｙの内部に向って凹状に変形し、パッキングの効果は上がり、液漏れを防ぐ。

また、支持体１と平膜７の枚数を目的に応じて調節できるため、膜面積を変動させることが可能である。そのため少量から多量の種々の処理液の処理を行えるが、目詰まりを防ぎ、濃縮効率を上げるという観点からみると、孔拡散式平膜分離装置を通した後の拡散液を流すことが最も好ましい。

上述のように本発明の平膜濃縮装置は、装置全体の軽量化に成功し、また装置の構造を単純化し、分解及び組み立てを容易にしたことにより簡便な取り扱いが可能である。

本発明により温和な条件下での成分の濃縮が可能となる。また従来の膜濃縮法に比べて、
（１）１気圧以下の低い膜間差圧での操作で連続濃縮が可能、
（２）濃縮される成分は、ペプチド等の分子量５００以上の成分で、分子量１０００以上の成分については１％以下の稀簿濃度からの濃縮率１０倍が達成される、
（３）アミノ酸等の分子量２００以下の成分による膜表面での濃度上昇が防止され、連続濃縮が可能となる、
（４）組立て、分解、再利用可能なハウジングとなる、
（５）濃縮側の液流れが均等に維持されサニタリー性が保持される、
（６）軽量で有効膜面積を０．００１ｍ²〜１０ｍ²にわたって変化させる、
ことが容易である。

[３]再生セルロース多孔膜
以下に、孔拡散式平膜分離装置に装着する膜としての再生セルロース多孔膜および該膜の製造方法について説明する。より詳しくは多孔膜中の孔を通した物質の拡散（孔拡散）により目的物質を分離精製する技術に最適な平膜およびその製造方法である。

本発明の再生セルロース多孔膜は、平均孔径（２ｒｆ）が５〜５００ｎｍ、膜厚（ｄ）が５０〜５００μｍ、空孔率（Ｐｒ）が０．６〜０．９の多層構造を有する再生セルロース膜で、分子間水素結合の発達度が４０％以下である。
好ましくは、平均孔径（２ｒｆ）が８〜１００ｎｍ、膜厚（ｄ）が１００〜３００μｍ、空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積が５０μｍ以上である。
さらに好ましくは、空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積が１００μｍ〜２００μｍである。

当該再生セルロース多孔膜は、セルロース誘導体であるセルロースエステルの溶液中に金属塩を１重量％以上添加した状態でミクロ相分離法で多孔膜とし、その後、ＰＨが１１〜１３の５０℃以下のアルカリ水溶液でケン化処理することによって製造する。
前記セルロースエステルは、酢酸セルロースが好ましい。
金属塩としては、アルカリ土類金属の塩酸塩や酢酸塩が例示され、特に塩化カルシウムが好ましい。
また、前記ミクロ相分離法は、セルロースエステルの良溶媒の蒸発によって生起されることが好ましい。

平均置換度２．４６の酢酸セルロース（重合１９０）を流延溶液中の濃度を３〜１３重量％になるように、アセトンに溶解する。一方、メタノール／ＣａＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ／シクロヘキサノールの濃度が流延溶液中で、４〜８重量％／１〜１０重量％／１５〜３５重量％になるような混合溶液を作製する。これら二溶液を自転と公転を繰り返す溶解機で完全に溶解する脱胞と濾過により、溶液の清浄度を高めて流延用溶液を作製する。

ガラス板上に厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍで流延し、外気温とガラス板の温度差が１０℃以上であるように、主として良溶媒（この場合、アセトン）を蒸発させる。蒸発過程でミクロ相分離が起り、流延液は白色となる。２０〜６０分後に作製した流延膜とガラス板とをメタノール中に浸漬し、膜中に残存する溶媒および塩化カルシウムを除去する。
膜中のメタノールを純水で置換し、５０℃以下の苛性ソーダ水溶液（ＰＨ＝１２）に浸漬し、時々攪拌し、ケン化反応を２０時間行い、その後水洗すると本発明の再生セルロース多孔膜が得られる。この多孔膜をポリカーボネート製の平板上の支持体に保持すると、孔拡散式平膜分離装置が完成する。

（実施例３）
平均置換度２．５０の酢酸セルロース（平均重合度２１０）を重量濃度（流延用原液中での重量濃度）１１．５％，アセトン５１．６重量％，メタノール６．５重量％，ＣａＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ １．２重量％，シクロヘキサノール２９．２重量％となるように、それぞれを溶解した。溶解後の溶液について脱胞と濾過を実施した。

１ｍｍの流延厚さとなるようにガラス板上に流延した。２５℃で３０分間放置し、ミクロ相分離を起こさせ、その後、ガラス板と共に２５℃のメタノール中に浸漬し、ミクロ相分離の進行を停止させた。相分離後の膜中に残存する成分を純水で洗浄除去した。
苛性ソーダによりＰＨ＝１２．０に調整した２５℃の水中に１２時間浸漬し、ケン化反応を起こさせた。
ケン化反応後の再生セルロース多孔膜の膜厚は１８０μｍ、平均孔径９．５ｎｍ、空孔率０．８２であった。

また、上述した方法と同様な方法で再生セルロース多孔膜を作製した。このとき、メタノールは１５重量％、シクロヘキサノールは２０．７重量％とし、得られた再生セルロース多孔膜は、平均孔径４０ｎｍ、空孔率０．６７であった。
得られた多孔膜を乾燥後、オスミウム酸で染色した後の膜断面の超薄切片（膜厚１００ｎｍ）を電子顕微鏡にて観察を行った。その結果、膜面に平行した厚さ１００〜２００ｎｍの層状構造が観察された。図７に３万倍の電子顕微鏡写真を示す。図７においては、縦方向が膜の厚さ方向となる。層数１０００〜２０００の層状構造が確認された。

得られた再生セルロース多孔膜を、孔拡散型平膜分離装置に装着した。有効膜面積を１００ｃｍ²で膜の表面に処理前溶液を流し（２ｍＬ／分）、膜の裏面側に純水（拡散液）を流した（流速３ｍＬ／分）。

膜間差圧を事実上零にするために、純水側の流入口と流出口とに連動ポンプを設置した。処理液として市販の牛乳をそのまま用いた。拡散液中には牛乳中の溶解した成分のみが流出し、粒子成分は完全に除去されていた。タンパクの透過率は５〜７％であった。処理液量が５Ｌとなっても拡散液中のタンパク濃度の低下はほとんど観察されなかった。

本発明の再生セルロース多孔膜は、孔拡散式平膜分離装置に装着でき、高い微粒子除去性能を発揮する。当然、濾過用の膜としても利用され、従来のウイルス除去用中空糸膜に比較してウイルス除去性能を高めることは容易である。
例えば膜厚を２００μｍに設定することは平膜では簡単であるが、中空糸膜では不可能に近い。この膜厚の差は、ウイルス除去性能に直接関係する。膜のみを取り替えることが可能であるので、膜モジュールのコストは中空糸膜モジュールに比較して、処理液量当り１／５以下にすることも容易である。
また、本発明の再生セルロース多孔膜では殆ど目詰まりが起こらないため、多くの産業での微粒子除去技術、および、微粒子のみを閉空間に、その他の分子は開空間とするための隔膜技術として機能する。

[４]非破壊式の平膜検査方法
以下に、微粒子除去用膜の検査法について説明する。この平膜検査方法は、プリオン・ウイルス・細菌等の微粒子の除去能を持つ膜に対する微粒子除去能の検査法で、該検査法を適用後も微粒子除去用膜として再利用可能な非破壊検査法である。

本発明の非破壊式の平膜検査方法は、溶液中の特定の分散物を分離する平膜の再利用を可能とするため、貴金属以外の微粒子を利用した直接法によって、複数の孔を備えて孔拡散式によって平膜の粒子除去能が低下していないことを確認する完全性試験工程を有する。そして、完全性試験工程の後に、微粒子を溶解除去する溶解除去工程を行う。

図８に孔拡散式平膜分離装置（ＭＤＰＭ）３３の完全性試験用装置の全体図を示す。
図中の符号は、以下の通りである。
２１；完全性試験用装置の一式を載せる架台
２２；完全性試験用コロイド粒子分散液（ＩＳ）と純水（Ｗ）とを載せる架台で、架台２６と一体的に上下へ移動
２３；架台の一段目（固定）
２４；架台の二段目の高さを制御する電動モータ２５のコントローラー
２５；二段目の架台２６を上下させる電動モーター
２６；二段目の架台で、上下に移動する
２７；架台２１を支える台
２８；架台２６を移動させるためのチェーン、電動モータで上下移動
２９；純水（Ｗ）を入れる容器
３０；コロイド粒子分散液（ＩＳ）をいれる容器
３１；拡散液の受器
３２；コロイド粒子分散液の完全性試験後の液の受器
３３；孔拡散式平膜分離装置（ＭＤＰＭ）
３４；純水(Ｗ)中に物質拡散をさせるための連動式送液ポンプ
３５；コロイド粒子分散液（ＩＳ）の流れ速度を制御するためのコック
３６；孔を拡散した物質（回収目的物質）分散用純水（Ｗ）の輸送チューブ
３７；目的物質を拡散回収用チューブ
３８；容器２９を外気と連絡するためのウイルス除去能を持つ通気筒

グロブリン（分子量約４０万）水溶液（濃度１重量％）を平均孔径３０ｎｍの再生セルロース製多孔膜（空孔率６８％，膜厚１７０ミクロン：親水性高分子の一例）の平膜（膜面積１００平方センチメートル）を用いた場合での本発明を実施するための最良な形態を示す。

容器３０にグロブリン水溶液を、容器２９に純水を入れ、連動ポンプ３４により孔拡散式平膜分離装置３３中に純水を満たし、ポンプ３４による流れ速度を２ミリリットル／分に設定する。グロブリン水溶液が１ミリリットル／分で流れるように、流量調節用コック３５で設定する。受器３２でのグロブリン水溶液のグロブリン濃度は、容器３０での濃度の５０〜９０％になるように流量を調節する。
グロブリン水溶液１０Ｌを孔拡散式平膜分離装置３３で処理した後、ポンプ３４を用いて孔拡散式平膜分離装置３３中の平膜を、容器２９中の純水で逆洗する。

直接法の完全性試験用の水溶液として、粒子径３０ｎｍの水酸化第二鉄コロイド粒子を含み、安定剤としてポリビニルアルコールと陽イオン界面活性剤を含む水溶液を選定し、これを容器３０内に充填しコック３５を締める。ポンプ３４で純水を１００ミリリットル流した後、ポンプ３４を停止させる。１０分間停止させた後、ポンプ３４を作動させて回路３６内の試験液を採取し、この液中の鉄濃度を測定する。容器３０内の水溶液中の鉄濃度の比より微粒子対数除去係数Φを以下の数７の式で計算する。

（Ｃｏは容器１０内の水溶液中の鉄濃度、Ｃｄは回路１６内の水溶液の鉄濃度を示す）

鉄濃度測定では液中の水酸化第二鉄をイオン化し、これを錯体形成法が着色し、その液を分光器で測定し、吸光度を求める。ＣｏおよびＣｄは共に吸光度に比例するのでΦを決定できる。Φの値があらかじめ設定した値以上であれば、使用された膜は微粒子除去性能を保持していることが確認される。上記の場合には具体的にはΦは３以上である。

完全性試験後に溶解除去液として、０．２規定の塩酸を容器２９，３０に入れ、孔拡散式平膜分離装置３３内の水溶液をすべてこの溶解除去液に変える。１時間後に容器２９，３０に純水を入れて水溶液のＰＨを１．０とし、この水溶液で孔拡散式平膜分離装置３３内を満たす。
１２時間放置後容器２９，３０に純水を入れ、コック３５と連動ポンプ３４を用いて孔拡散式平膜分離装置３３の水溶液内を純水に置換する。置換後の孔拡散式平膜分離装置３３は、再びグロブリン水溶液中からの微粒子除去膜として再利用される。

完全性試験後に溶解除去処理した孔拡散式平膜分離装置３３中には、水酸化第二鉄コロイド粒子は残存していないが、孔拡散式平膜分離装置３３を他の物質の水溶液に適用する目的があれば完全性試験前または後に以下の工程を加えると良い。

即ち、（Ａ）過塩素酸水溶液をＭＤＰＭ中に充填し、１時間後（Ｂ）界面活性剤を含む水溶液で溶解除去し、次に、（Ｃ）水酸化ナトリウム水溶液を添加し０．１規定水溶液とし、この溶液をＭＤＰＭに充填する。約１０時間後、（Ｄ）純水でＭＤＰＭ内部を置換し、（Ｅ）さらに、０．１規定の水酸化ナトリウム水溶液で純水を置換し、仮に孔拡散式平膜分離装置３３が組み立て式であれば平膜とハウジングとを分解して再使用時までこのまま保管する。（Ｆ）再使用前に０．１規定の塩酸水溶液を孔拡散式平膜分離装置３３中に流入させて水酸化ナトリウム水溶液を中和し、さらに、（Ｇ）純水でＭＤＰＭを溶解除去する。

（実施例４−１）
ウナギに対してタンパク質分解酵素（サモアーゼＰＣ−１０、大和化成社製）で酵素分解後、遠心分離により水溶液成分を回収した。この水溶液約２Ｌを、平均孔径２５ｎｍ、空孔率６５パーセント、膜厚１８０ミクロンの再生セルロース多孔膜で構成された孔拡散式平膜分離装置（ハウジングはポリカーポネード製）を用いた孔拡散法で分離した。
有効拡散面積は１００平方センチメートルであった。
拡散液中の主成分はペプチドおよびアミノ酸であり、酵素は拡散残液中に残留していた。

使用後の孔拡散式平膜分離装置を図８のように設置した。容器２９に純水を、容器３０に平均粒径２５ｎｍの水酸化第二鉄コロイド粒子（０．０２重量％）、ポリビニルアルコール（０．０１重量％）、および、陽イオン界面活性剤（１重量％日本油脂製カチオンＡＢ）を含む水溶液（ＩＳ）を充填する。
連動ポンプ３４を運転し、孔拡散式平膜分離装置３３中に純水を充填する。流速制御用コック３５を開き、当該水溶液ＩＳを孔拡散式平膜分離装置３３内に充填し、該コック３５を閉じる。１０分後に連動ポンプ３４を運転して拡散液を採取した。

当該水溶液ＩＳ中の鉄および拡散液中の鉄濃度を測定した。即ち、それぞれの液中に塩酸を加え、ＰＨ＝１．０として、さらに５０℃に１０分間加熱し、チオシアン酸カリウムを微量添加し着色した。
この溶液の吸光度を分光器で測定した。その結果、数３の式で算出されるΦは３以上であった。容器１０に１規定の塩酸水溶液を満たし、孔拡散式平膜分離装置３３の入口側の連動ポンプ３４によって該塩酸水液で溶解除去後、直ちに孔拡散式平膜分離装置３３を回路より外し、孔拡散式平膜分離装置３３ごと０．１規定のＮａＯＨ水溶液中に浸漬した。

浸漬した状態のまま孔拡散式平膜分離装置３３を平膜とハウジングとに分解した。モジュールを構成しているハウジングは水洗し１１０℃で加熱乾燥した。平膜は０．１規定のＮａＯＨ水溶液に２日間浸漬を続けた後、水洗した。水洗後の平膜を再び組立てて孔拡散式平膜分離装置３３を作製した。
以下、上述と同様に孔拡散実験に再生後の孔拡散式平膜分離装置３３を利用した。この再生操作を５回繰り返したが孔拡散特性は変化なかった。

微粒子除去を目的とした膜分離技術では使用後の膜に対して完全性試験が義務付けられている。従来技術ではこの完全性試験が破壊型であったため該試験を行うことによって膜の再利用の道が閉ざされていた。本発明の完全性試験によって該試験後の膜に再利用の可能性が生じた。
特に、孔拡散技術との組み合わせによって膜の再利用が可能となった。平膜に対しても直接法の完全性試験の適応が可能となり、安全性試験前の膜の表面に沈着した成分の溶解除去の必要性が低滅できるだけでなく、完全性試験にかかるコストの低滅につながる。即ち、本発明での直接法で利用する微粒子は、貴金属以外の微粒子であるためその調製は容易でかつ安価である。

（実施例４−２）
酢酸セルロースのアセトン溶液より流延法で製膜後、ケン化処理により作製した再生セルロース多孔膜（平均孔径９ｎｍ、空孔率８５％、膜厚１６０ミクロン）の微粒子除去性能を、平均粒子径２０ｎｍの水酸化鉄コロイド粒子分散液で孔拡散法により評価した。
分散液中には、ポリビニルアルコールと非イオン界面活性剤を混合している。粒子対数阻止係数は４．５以上である。除去性能検査後の膜を１規定の４０℃の塩酸水溶液中に３時間浸漬した。膜表面の水酸化第二鉄が完全に溶解除去されているのを確認するために、再び１規定の４０℃の塩酸に浸漬し、チオシアン酸カリウムを添加して水溶液中の鉄イオン濃度を分光光度計で確認した。確認後の膜を純水で洗浄した。

洗浄後の膜を用いて１％のグロブリン水溶液を、孔拡散法で膜面積１平方メートル当り５００リットル処理後、上記性能検査と同一の水酸化第二鉄コロイド粒子分散液で孔拡散法により完全性試験を行った結果、粒子対数阻止係数は４．５以上であった。

完全性試験後に１規定の塩酸水溶液中に室温で２４時間浸漬放置した。次に、０．１５規定の苛性ソーダ液中に４８時間浸漬し、その後水洗した。水洗後の膜の濾過速度（０．１５気圧）の膜間差圧は、使用前のそれと完全に一致した。

（実施例４−３）
０．００４５モル／リットルの塩化第二鉄と塩化第一鉄の混合物（モル比１：２）を水で溶解後、重合度５００のポリビニルアルコールを濃度０．０１重量％となるように溶解した。さらに、陽イオン界面活性剤（商品名カチオンＡＢ、日本油脂製）を２重量％となるように混入し、７５℃で加熱して平均粒子径２０ｎｍの水酸化第二鉄コロイド粒子の分散液を作製した。

一方、ミクロ相分離法とケン化法とを利用して平均孔径２５ｎｍ・空孔率８０％・膜厚１８０ミクロンの再生セルロース平膜を作製した。当該平膜において、２０ｎｍ径の水酸化第二鉄コロイド粒子を使用した孔拡散法での粒子除去性能を測定した結果、対数阻止係数は５以上であった。
試験後の膜を直ちに０．２規定の塩酸水溶液に３０℃で１時間浸漬することにより、残留する水酸化第二鉄コロイド粒子を溶解除去した。

溶解除去後の膜を用いて、孔拡散法で３重量％のガンマーグロブリン水溶液を５００リットル／平方メートルの割合で処理後、上記コロイド粒子の分散液を使用して拡拡散法で完全性試験を行った。

粒子対数阻止係数は５以上であった。完全性試験後の膜を、０．１規定の苛性ソーダ水溶液に浸漬した。
水酸化第二鉄粒子の濃度測定は、次のようにして行った。まず、試験液を０．５規定の塩酸水溶液の組成にして５０℃で３０分攪拌し、水酸化第二鉄を３価の鉄イオンとし、これにチオシアン酸カリを添加した。これを分光光度計で波長４８０ｎｍの吸光度を測定することにより、濃度を測定した。

本発明により微粒子除去用膜を使用した後の完全性試験後にも、平膜を再利用できる可能性が確立された。特に孔拡散法での微粒子除去用膜では、完全性試験後に平膜が再利用可能となる。

本発明の孔拡散式平膜分離装置は、温和な条件下で分離、精製が求められる産業（例、製薬産業、食品産業）、特にタンパク質などの生理活性を持つ物質の分離、精製に利用できる。また、コロイド粒子系を取り扱う工業においてコロイド粒子を含めて特定の微粒子を精製、分離する方法として工業的プロセスに組み込むことが出来る。特にウィルス除去性の高い平膜を長期間利用するのに好適である。
本発明の平膜濃縮装置は、バイオ医薬品の製造工程で微粒子除去を孔拡散式平膜分離装置で実施した拡散液中の成分濃縮に利用できる。当該平膜濃縮装置の膜濃縮では、水溶性金属塩濃度は上昇することなく目的とする分子量物質を濃縮する。
本発明の再生セルロース多孔膜は、孔拡散式平膜分離装置に装着して利用でき、高い微粒子除去性能を発揮する。また、当該再生セルロース多孔膜では殆ど目詰まりが起こらないため、多くの産業での微粒子除去技術、および、微粒子のみを閉空間に、その他の分子は開空間とするための隔膜技術として機能する。
本発明の非破壊式の平膜検査方法は、プリオン・ウイルス・細菌等の微粒子の除去能を持つ膜に対する微粒子除去能の検査法に利用できる。

Ｘ 孔拡散式平膜分離装置
１ 平板状支持体
２ 流路
３ 通水路
７ 平膜

Claims (6)

1. 平均孔径（２ｒｆ）が５〜５００ｎｍ、膜厚（ｄ）が５０〜５００μｍ、空孔率（Ｐｒ）が０．６〜０．９の多層構造を有する再生セルロース膜で、分子間水素結合の発達度が４０％以下である孔拡散用再生セルロース多孔膜。
2. 平均孔径（２ｒｆ）が８〜１００ｎｍ、膜厚（ｄ）が１００〜３００μｍ、空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積が５０μｍ以上である請求項１に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜。
3. 空孔率（Ｐｒ）と膜厚（ｄ）との積が１００μｍ〜２００μｍである請求項２に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜。
4. 請求項１に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法であって、セルロース誘導体であるセルロースエステルの溶液中に金属塩を１重量％以上添加した状態でミクロ相分離法で多孔膜とし、その後、ＰＨが１１〜１３の５０℃以下のアルカリ水溶液でケン化処理することによって製造する孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法。
5. 請求項２に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法であって、セルロース誘導体である酢酸セルロースの溶液中に金属塩を１重量％以上添加した状態でミクロ相分離法で多孔膜とし、その後、ＰＨが１１〜１３の５０℃以下のアルカリ水溶液でケン化処理することによって製造する孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法。
6. 請求項３に記載の孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法であって、セルロース誘導体であるセルロースエステルの溶液中に金属塩を１重量％以上添加した状態で、前記セルロースエステルの良溶媒の蒸発によって生起されるミクロ相分離法で多孔膜とし、その後、ＰＨが１１〜１３の５０℃以下のアルカリ水溶液でケン化処理することによって製造する孔拡散用再生セルロース多孔膜の製造方法。

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