JP2802648B2

JP2802648B2 - カチオン選択吸着性多孔膜とその製造方法

Info

Publication number: JP2802648B2
Application number: JP1196688A
Authority: JP
Inventors: 和雄豊本
Original assignee: 旭化成工業株式会社
Priority date: 1988-08-08
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH02160845A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、製薬工業や一般工業において、有用な特定
のカチオン成分（無機イオンのみならず、蛋白質、アミ
ノ酸などの有機物成分を含む）を吸着精製・除去するの
に好適な選択吸着性親水化膜及びその製造方法に関す
る。

（従来の技術）従来、特定のカチオンや蛋白質等を吸着精製・除去す
るのには、イオン交換樹脂やイオンクロマトグラフィ等
が実験室レベルで使用されてきた。

ところが、実際上工業規格レベルで使用する時には、
吸着効率が低く、且つ脱着精製・除去に多くの液を必要
とし、そのスピードも遅く、極めて高価になり過ぎるた
め、汎用化されていない現状にある。

この問題を解決するために、これらの特定のカチオン
成分を吸着精製し得る膜を用いることが提案されてい
る。想定される膜法の利点は、吸着効率が良いこと、精
製効率・除去効率が高くなること、処理時間が短縮され
ることなどである。

一方、一般にこれらの特定のカチオン成分を吸着精製
・除去するには、カチオン交換機能性官能基を側鎖に含
有するポリマーからなる多孔膜で処理することが好適で
あることが知られている。しかしながら、膜そのものの
非特異的吸着性のために、精製すべき特定のカチオン成
分の他に、他の成分も吸着され、精製効率も悪くなる。

特に、工業的規模で利用する時には、多孔膜の骨格そ
のものは強靭でなければならず、必然的に疎水性のもの
が好ましいが、その疎水性のゆえに、蛋白質等の非特異
吸着が生じ、精製効率が悪くなってしまう。

これらを改善するためには、疎水性膜そのものを、中
性ヒドロキシル基を有する官能基で親水化しておくこと
が好ましい。

最近、疎水性膜に中性ヒドロキシル基を有し、部分的
に親水性基を有する化合物をコーティングし、その後、
カチオン交換機能性官能基を付加させる方法が見出され
ているが、物理的付加のために、工業的使用時に最低必
要な耐アルカリ性がなく、繰り返し使用が殆ど不可能
で、且つ物理的な付加物の部分脱離が起こり、大規模ス
ケール又は繰り返し使用が出来ない。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、前記特定のカチオンなどの吸着精製・除去
に好適な新規な選択吸着性多孔膜及びその製造方法を提
供することを課題とする。

（課題を解決するための手段）すなわち、本発明は：ポリオレフィン、またはオレフィンとハロゲン化オ
レフィンの共重合体からなる基材膜の膜の表面および孔
の表面に、多孔膜1g当たり0.1ミリ当量以上の中性ヒド
ロキシル基と、多孔膜1g当たり0.1ミリ当量以上のカチ
オン交換基が化学結合されている、平均孔径0.01〜５
μ、空孔率20〜90％であるカチオン選択吸着性多孔膜に
関するものであり、かつポリオレフィン、またはオレフィンとハロゲン化オ
レフィンの共重合体からなる基材膜に、電離性放射線を
照射させた後、気相中で酢酸ビニルをグラフトし、グラ
フトされたポリ酢酸ビニルをケン化してポリビニルアル
コールへ変性させた後に、プロパンサルトンを反応させ
ることを特徴とする、中性ヒドロキシル基とカチオン交
換基とを有するカチオン選択吸着性多孔膜の製造方法に
関するものである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明を行う。

本発明に用いられる多孔質の基材膜の材質は、ポリオ
レフィン又は、オレフィンとハロゲン化オレフィンとの
共重合体から構成されていて、疎水性を有することが必
要である。これは基材膜の機械的性質の保持のために必
要である。

ポリオレフィン、オレフィンとハロゲン化オレフィン
との共重合体としては、具体例には、例えばポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリブチレンなどのオレフィンの
単独重合体又はそれら２種以上の重合体混合物；エチレ
ン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセンなどのオ
レフィンの２種以上の共重合体；および前記オレフィン
の１種又は２種以上とテトラフルオロエチレン、クロロ
トリフルオロエチレンなどのハロゲン化オレフィンとの
共重合体などが挙げられる。

基材膜の孔は、種々の成形加工手段によって得ること
ができる。

具体的には、延伸法や、電子線照射後に化学処理する
いわゆるエッチング法等により得られる直孔貫通型の孔
よりも、たとえば特公昭40−957号公報、特公昭47−174
60号公報および特公昭59−37292号公報に示されたミク
ロ相分離法や混合抽出法などにより形成される三次元網
目構造からなる孔が好ましい。

基材膜の形状、大きさは、目的とする選択吸着性多孔
膜の要求にあわせて、平膜状、チューブ状、中空糸膜状
のなかから適当なものが選ばれる。

本発明の選択吸着性多孔膜は、基材膜の表面及び孔の
表面に、中性ヒドロキシル基及びカチオン交換基が化学
結合されたものである。本発明中、単に、多孔膜といえ
ば、この「膜の表面および孔の表面に中性ヒドロキシル
基とカチオン交換基が化学結合された選択吸着性多孔
膜」を指す。

ここで、「膜の表面及び孔の表面」とは、膜の表面
と、膜内部の孔の表面のことをいう。

中性ヒドロキシル基は、多孔膜1g当たり0.1ミリ当量
以上結合されている。中性ヒドロキシル基とは、具体的
には、脂肪族系炭化水素等に直接結合した水酸基を言
い、ベンゼン核に直接結合したものを除く。中性ヒドロ
キシル基は、フィード液を変性させることなく、多孔膜
への有機物蛋白質の非特異的吸着を阻止するのに必要で
あり、基材膜への結合量もその抑制効果上決定される。
しかしながら、中性ヒドロキシル基が多孔膜1g当たり0.
1ミリ当量未満しか結合されていない場合は、蛋白質の
非特異的吸着を充分に阻止することができない。一方、
中性ヒドロキシル基が多すぎると孔を閉塞することがあ
り、好ましくない。多孔膜1g当たり0.1〜20ミリ当量、
さらに好ましくは多孔膜1g当たり0.1〜10ミリ当量の範
囲から選ばれる。

カチオン交換基は多孔膜1g当たり0.1ミリ当量以上で
なければ、狙いとする機能が充分に発揮されない。しか
しながら、カチオン交換基が多すぎると孔が閉塞するこ
とがあり、好ましくない。好ましくは、カチオン交換基
の量は、多孔膜1g当たり0.1〜20ミリ当量、さらに好ま
しくは多孔膜1g当たり0.1〜10ミリ当量の範囲から選ば
れる。

なお、本発明のカチオン交換機能性官能基としては、
スルホン酸基、カルボン酸基（２価以上の多価カルボン
酸基を含む）、リン酸基等が目的に応じて使用される。

中性ヒドロキシル基と、カチオン交換基は、同一の側
鎖に含有されて基材膜に結合されていてもよいし、別々
の側鎖で基材膜に結合されていてもよい。

ここで、夫々の基の結合率は、膜のかなりマクロ的な
重量を基準にした値のことであり、例えば、膜表面の一
部、または膜内部の一部だけを対象とした値のことでは
ない。多孔膜において基材膜の優れた機械的性質を保持
させるには、できるだけ孔の表面に、より優先的に前記
両基を反応付加（グラフト）させた方が有利である。従
って、ここで言う夫々の基の結合率の意味は、膜の全体
にわたって平均的に加味測定された値を示しており、ご
く微視的な観点での結合率を意味していない。

中性ヒドロキシル基やカチオン交換基、さらには、こ
れら官能基と基材膜とをつなぐ化学結合等の検出は、赤
外分光法（IR）や核磁気共鳴分光法（NMR）等を用いて
行うことができる（（株）東京化学同人発行「有機化合
物のスペクトルによる同定法」（1976）参照）。

なお、基材膜へ結合された中性ヒドロキシル基の定量
は、膜をピリジン溶媒中で無水酢酸と反応させ、消費し
た無水酢酸の量または膜の重量増加量から求められる。

また、カチオン交換基含有率は、従来公知の技術（例
えば、成著「イオン交換樹脂」昭和31年発行89〜92頁
等に記載の方法）によって測定される。

（ここで、本発明でいうカチオン交換容量とは、総イオ
ン交換容量のことをいう）本発明のカチオン交換選択吸着多孔膜は、平均孔径が
0.01〜５μの範囲にあることが、カチオン吸着速度と液
の透過速度の点で好ましい。さらに好ましくは0.01〜１
μの範囲がよい。

ここで、平均孔径とは、ASTMF 316−70に記載されて
いる方法による値を示しており、通常エアーフロー法と
呼ばれ、空気圧を変えて乾燥膜と湿潤膜の空気透過流束
を測定し、その比から求めるものである。

空孔率は20〜90％の範囲にあることが好ましく、50〜
90％の範囲がさらに好ましい。ここで、空孔率とは、予
め多孔膜を水などの液体に浸漬し、その後乾燥されて、
その前後の重量変化から測定したものである。

空孔率が本発明の範囲外においては、夫々透過速度、
機械的性質の点で好ましくない。

多孔膜の形状は、平膜状、チューブ状、中空糸膜状の
いずれでもよいが、特に本発明の目的には、内径0.05〜
10mm、厚さ0.05〜5mmの形状を有する中空糸状のものを
用いるのが効率上好ましい。

前記本発明の選択吸着性多孔膜は種々の方法で製造す
ることができるが、反応の制御及び経済性の点で有利な
１つの方法は、ポリオレフィン又はオレフィンとハロゲ
ン化オレフィンとの共重合体からなる基材膜に電離性放
射線を照射した後、気相中で酢酸ビニルをグラフトし、
その後、ケン化反応によってグラフトした側鎖を化学的
に変性させ、その後、プロパンサルトンを反応させるこ
とを特徴とする方法である。

基材膜への電離性放射線の照射は、通常真空中または
不活性ガス中で行われる。電離性放射線としては、電子
線またはγ線が好ましく用いられる。

ついで、基材膜へ酢酸ビニルを気相中でグラフトし、
基材膜の表面および孔の表面にポリ酢酸ビニルを結合さ
せる。

グラフトされたポリ酢酸ビニルをケン化し、ポリビニ
ルアルコールに変性させるが、ケン化は通常のケン化反
応により行う。

次に、プロパンサルトンを反応させる。反応は、無溶
媒でも、溶媒中でもどちらでも行うことができる。溶媒
としては、プロパンサルトンを失活させず、かつポリビ
ニルアルコールがグラフトされた膜を変質、劣化させな
い溶媒が好適に用いられる。例えば、ヘキサン、ジクロ
ルエタン、ジクロルメタン、クロロホルム、四塩化炭素
などである。

反応は、０〜100℃、10分〜１週間程度で行うことが
できる。また、反応を促進するために、必要に応じてア
ルカリ、塩基等の触媒が使用されてもよい。

このようにして、疎水性基材膜の膜表面及び孔表面
に、中性ヒドロキシル基やカチオン交換基を含有した側
鎖が導入できる。側鎖の化学構造の１つの代表例を示す
と、次のようになる。

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に
説明するが、これらは本発明の範囲を制限するものでは
ない。

（基材膜製造例）微粉珪酸（ニプシルVN3LP）22.1重量部、ジオクチル
フタレート（DOP）55.4重量部、ポリエチレン樹脂粉末
〔旭化成SH−800グレード〕22.5重量部の組成物を予備
混合した後、30ミリ２軸押出機内で内径1.9mm、厚み0.6
0mmの中空糸状に押出した後、1,1,1−トリクロルエタン
〔クロロセンVG（商品名）〕中に60分間浸漬し、DOPを
抽出した。さらに温度60℃の苛性ソーダ40％水溶液中に
約20分間浸漬して微粉珪酸を抽出した後、水洗、乾燥す
ることにより、多孔性基材膜を得た。

（実施例１）（基材膜製造例）で得た基材膜に電子加速器（加圧電
圧1.5Mev、電子線電流1mA）を用いて窒素雰囲気下で電
子線を20Mrad照射した後、気相中で酢酸ビニルをグラフ
トした。

次に、前記グラフト多孔質膜を1Nカセイソーダで80℃
で10時間反応させ、完全に反応が終了していることを重
量の減少で確認した。

このようにして得られたポリビニルアルコールグラフ
ト多孔質膜の中性ヒドロキシル基含有量は、ポリビニル
アルコールグラフト多孔質膜1g当たり2.4ミリ当量であ
った。

このポリビニルアルコールグラフト多孔質膜に対して
重量比で20倍量のプロパンサルトンを加え、80℃で10時
間反応させた。その後、得られた膜を水洗し、さらに1N
NaOH中で80℃にて１時間洗浄し、次いで水洗後、さら
に1N HCl中で室温にて２時間洗浄し、水洗した。得られ
た多孔膜の多孔膜1g当たりの中性ヒドロキシル基結合量
は、1.9ミリ当量、カチオン交換基結合量は0.4ミリ当
量、空孔率は70％、平均孔径は0.35μｍであった。

このカチオン選択吸着性多孔膜を用いて、膜面積1m²
のモジュールを作製し、チトクロームC600ppmを含む液
（pH8.4）を20/hr・m²の速度で濾過した。20分間濾過
した時の濾液中のチトクロームＣの濃度は0.5ppmであっ
た。こうして１時間濾過した後、モジュール内の液を抜
いた。pH 14のアルカリ性水溶液を上記モジュール供給
し、濾液を採取した。濾液中に回収されたチトクローム
Ｃの量は、モジュール中に吸着されていたと計算される
量の96％であった。

また、上記モジュールをpH 14のアルカリ性水溶液で
洗浄した後、前記と同じ条件でチトクロームＣ溶液（pH
8.4）の濾過を行ったところ、濾液中のチトクローム
Ｃの濃度は0.6ppmであり、アルカリ水溶液も有効に吸着
効果が働いていることが分かる。

なお、同様な操作を100回繰り返した後も、吸着効果
は実質的に殆ど変わらなかった。

（比較例１）（実施例１）のカチオン選択吸着性多孔膜を製造する
途中で得られるポリビニルアルコールグラフト多孔質膜
（中性ヒドロキシル基結合量は、ポリビニルアルコール
グラフト多孔質膜1g当たり2.4ミリ当量、空孔率70％、
平均孔径0.37μｍ）を用いて、膜面積1m²のモジュール
を作製した。

このモジュールを用いて、実施例１と同条件でチトク
ロームＣを含む液を濾過したところ、濾液中のチトクロ
ームＣの濃度は597ppmであった。

また、（実施例１）と同条件で膜をアルカリ水洗した
後、再び実施例１と同条件でチトクロームＣを含む液を
濾過したところ、濾液中のチトクロームＣの濃度は595p
pmであった。比較例膜の非吸着効果はアルカリ洗浄後も
実質的に殆ど変わらなかった。

（発明の効果）本発明の多孔膜は、特定成分の吸着膜として、醗酵・
製薬工業界、一般工業用水の液中から特定のカチオン成
分（無機イオンのみならず、蛋白質、アミノ酸などの有
機成分を含む）を吸着・除去する、あるいは吸着・精製
回収する用途によって従来の工業用膜に見られなかった
効果を発揮することが可能であって、その利益もはかり
しれない。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ０１Ｊ 47/12 Ｂ０１Ｊ 47/12 Ｃ // Ｄ０１Ｆ 6/04 Ｄ０１Ｆ 6/04 Ｃ 6/30 6/30 6/46 6/46 ＡＣ０８Ｌ 23:02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ポリオレフィン、またはオレフィンとハロ
ゲン化オレフィンの共重合体からなる基材膜の膜表面お
よび孔の表面に、多孔膜1g当たり0.1ミリ当量以上の中
性ヒドロキシル基と、多孔膜1g当たり0.1ミリ当量以上
のカチオン交換基が化学結合されている、平均孔径0.01
〜５μ、空孔率20〜90％であるカチオン選択吸着性多孔
膜。
【請求項２】多孔膜が内径0.1〜10mm、厚さ0.05〜5mmの
中空糸状である、請求項（１）記載の選択吸着性多孔
膜。
【請求項３】ポリオレフィン、またはオレフィンとハロ
ゲン化オレフィンの共重合体からなる基材膜に、電離性
放射線を照射した後、気相中で酢酸ビニルをグラフト
し、グラフトされたポリ酢酸ビニルをケン化してポリビ
ニルアルコールへ変性させた後に、プロパンサルトンを
反応させることを特徴とする、中性ヒドロキシル基とカ
チオン交換基とを有するカチオン選択吸着性多孔膜の製
造方法。
【請求項４】基材膜が三次元網目構造を有し、膜形状が
内径0.1〜10mm、厚さ0.05〜5mmの中空糸状である、請求
項（３）記載の選択吸着性多孔膜の製造方法。