JP6010130B2 - 残滓を除去するために中空繊維膜を連続的に洗浄するプロセス - Google Patents

Description

本開示は、ポリスルホンまたはポリエーテルスルホンおよびポリビニルピロリドンを含む中空繊維膜内の残滓を除去する連続プロセスに関する。

中空繊維膜を含む拡散および／またはろ過装置は、たとえば血液などの体液から望ましくない物質を除去する様々な医学的処置に使用される。これらの装置の中空繊維膜が治療中に患者の血液に接触するとき、これらは血液によって抽出可能な低含有量の残滓を有することが、重要である。

通常、残滓は、紡出されたばかりの繊維を一連の水槽に通すことによって、中空繊維膜の生産プロセスの間に除去される。残留溶媒およびポリビニルピロリドンのような親水性ポリマーの抽出留分は、この手順によって膜から洗い流される。

一連の水槽に必要とされる設置空間は、比較的大きい。そしてこれらは、相当量の水およびエネルギーを消費する。したがって、代替の、より効率的なプロセスを有することが、望ましい。

ポリスルホンまたはポリエーテルスルホンおよびポリビニルピロリドンを含む中空繊維膜から残滓を除去する代替プロセスが、開発された。プロセスは、残滓の除去を増強するために、諸々の装置によって膜壁を通る洗浄流体の対流輸送を増加させる。本発明のプロセスは、従来の水槽よりも小さい空間を必要とし、水およびエネルギーを節約するのに役立つ。

加圧洗浄チャンバを用いて中空繊維膜を洗浄するための一構成の模式図である。 図１に模式的に描写されるような加圧洗浄チャンバの底部を示す図である。 ３つの加圧洗浄チャンバの模式的構成を示す図である。 ３つの加圧洗浄チャンバの別の模式的構成を示す図である。 ５つの加圧洗浄チャンバの模式的構成を示す図である。 ２つの加圧洗浄チャンバおよび超音波装置の模式的構成を示す図である。 本発明によるプロセスを実行するための絞り／挟み装置を示す図である。

本発明は、膜壁を通る洗浄流体の増強された対流輸送を伴う、ポリスルホンまたはポリエーテルスルホンおよびポリビニルピロリドンを含む中空繊維膜から残滓を除去する連続プロセスを提供する。

プロセスの一実施形態において、膜壁を通る洗浄流体の対流輸送を増加させるために、膜の外側と内腔との間に圧力勾配が確立される。

プロセスの一実施形態において、中空繊維膜は少なくとも１つの加圧洗浄チャンバを通じて案内される。洗浄流体は同時に、向流または直交流の圧力の下でチャンバ内に圧送される。適切な洗浄流体の例は、水、蒸気、エタノール、および過酸化水素水を含む。一実施形態において、洗浄流体は１５から１００℃、たとえば４０から９０℃の範囲の温度を有する。

可能性のある一構成の模式図が、図１に示される。ポリマー溶液はノズルの外輪スリットを通じて押し出され、紡糸シャフト２を通じて沈殿槽３内に落下する。得られた中空繊維膜４はその後、第一洗浄槽５、第二洗浄槽６、および加圧流体チャンバ１を通じて、糸車８まで通される。水７は、加圧流体チャンバ１内に直接圧送される。

一実施形態において、少なくとも１つの加圧洗浄チャンバは円形であり、中空繊維膜のための出入り口として、２つの対向するスロットを有する。別の実施形態において、少なくとも１つの加圧洗浄チャンバは長方形である。

一実施形態において、加圧洗浄チャンバの数は１から１０の範囲、たとえば２から５の範囲である。本発明の一実施形態において、加圧洗浄チャンバの数は２である。

スロットは、同じまたは異なる寸法を有することができる。一実施形態において、スロットはその最も狭い点において、０．２から１ｍｍ、たとえば０．３から０．５ｍｍの範囲の深さおよび幅を有する。

一実施形態において、インサートをより大きい溝内に配置することによって、所望の寸法のスロットが生成される。一実施形態において、インサート上のスロットは、加圧洗浄チャンバ上のスロットよりも短い長さを有する。

加圧洗浄チャンバの一例が、図２および図３に示される。図２は、図１に模式的に描かれた加圧洗浄チャンバ１の底部１０を示す。底部１０は、一定の幅の内側部１１および境界１２を含み、境界は底部１０を上部１３に接続する接続手段を担持している（図３に示される）。中空繊維膜用の吸入口および排出口は、底部１０の境界１２内の２つの対向する開口部または溝１４の形態で提供される。

図３は、３つの加圧洗浄チャンバ１の模式的構成を示しており、２つのチャンバの間の距離ｄはたとえば１５ｃｍである。各チャンバ１の上部１３は、ネジによってそれぞれの底部１０に取り付けられている。上部１３の上面１５には、加圧水、圧力測定、および温度測定のためのコネクタ１６がそれぞれ設けられている。

図４は、加圧洗浄チャンバの第二構成の模式図を示している。チャンバ１’は長尺であって、水槽１７によって互いに接続されており、あるチャンバから次に向かう途中に膜が水槽を通過する。図３のチャンバとは対照的に、洗浄水吸入口１６’は加圧チャンバの上部に垂直にではなく、むしろチャンバ１’の片側に水平に、中空繊維膜の紡出方向に対して直角に位置している。さらに、各チャンバ１’は、洗浄水の温度を調整するための熱交換器１８に接続されており、圧力計Ｍおよび温度センサ用のコネクタ９を備えている。

図５は、加圧洗浄チャンバの第三構成の模式図を示す。チャンバ１’’は長尺であって、膜が１つのチャンバから次のチャンバへの途中で通過する、たとえば水槽１７’などの分離部によって、互いに接続されている。図４のチャンバと同様に、洗浄水吸入口１６’’はチャンバ１’’の片側に水平に、中空繊維膜の紡出方向に対して直角に位置している。図中、チャンバの内部、および膜が通るチャンバの吸入口および排出口のスリット隔膜をそれぞれ表示するために、第一加圧洗浄チャンバのカバーは取り除かれている。各チャンバは圧力計Ｍを備えている。

一実施形態において、保持距離、すなわち少なくとも１つの加圧洗浄チャンバにおいて膜が被覆する距離は１から１００ｃｍの範囲、たとえば３から１０ｃｍ、または２０から４０ｃｍ、または５０から８０ｃｍの範囲である。

一実施形態において、少なくとも１つの加圧洗浄チャンバ内の中空繊維膜の滞留時間は０．１から１０秒の範囲、たとえば０．３から４秒の範囲である。

一実施形態において、洗浄流体のゲージ圧は０．０５から４バールの範囲、たとえば１．１から２．５バール、または０．１から０．９バールの範囲である。

一実施形態において、少なくとも１つの加圧洗浄チャンバは向流チャンバであり、すなわち流体は膜の排出口から吸入口に向かって誘導される。

一実施形態において、中空繊維膜は２つ以上の加圧洗浄チャンバを通るように案内され、各加圧洗浄チャンバ内の洗浄液の圧力は同じであるかまたは異なる。たとえば、１つの加圧洗浄チャンバ内では過剰圧力が印加され、第二加圧チャンバでは低圧力が印加される。

一実施形態において、第一および第二加圧洗浄チャンバの間の距離は１から２０ｃｍであり、たとえば１０から１５ｃｍである。

一実施形態において、洗浄液を収容する少なくとも１つの洗浄槽が、２つの加圧洗浄チャンバの間に位置している。

さらなる実施形態において、加圧洗浄チャンバは、膜内への洗浄流体の対流輸送を支援するために超音波装置と組み合わせられる。

一実施形態において、超音波装置はソノトロードを含む。

一実施形態において、超音波装置の周波数は１０ｋＨｚから３ＭＨｚの範囲、たとえば２０から８０ｋＨｚの範囲である。

一実施形態において、ソノトロードの振動振幅は１０から１５０μｍの範囲である。

一実施形態において、超音波装置の出力は２００から１０００Ｗの範囲、たとえば２５０から５００Ｗの範囲である。

一実施形態において、超音波装置のソノトロードから中空繊維膜までの距離は１から１５ｍｍの範囲、たとえば２から９ｍｍの範囲である。

図６は、加圧洗浄チャンバを超音波と組み合わせる装置を示す。２つの平坦な長方形の加圧洗浄チャンバ１’’’は、互いに隣り合って位置している。各チャンバは、圧力計Ｍおよび温度センサ用のコネクタ９を備えている。紡出方向に、第一チャンバ１’’’はソノトロード１９を含む超音波装置を含んでいる。ソノトロード１９は、チャンバ１’’’のそれぞれの上部に実装されており、加圧洗浄チャンバ内に向かって延在している。効率を提供するために、ソノトロードは中空繊維膜から近距離に位置している。

プロセスの別の実施形態において、膜を圧力洗浄するために、少なくとも１つのフラットジェットノズルが使用される。

一実施形態において、フラットジェットノズルは０．１から４ ｌ／分の範囲、たとえば０．３から１ ｌ／分、または２から３ ｌ／分の範囲の出力を有する。

一実施形態において、膜に噴霧される流体の圧力は１から７バールの範囲、たとえば１から３バールの範囲である。

一実施形態において、流体は、ゴデット上にある間に膜上に噴霧される。

一実施形態において、フラットジェットノズルの噴霧角度は２０から９０°の範囲、たとえば３０°から６０°の範囲である。

一実施形態において、少なくとも１つのフラットジェットノズルから膜までの距離は５から４０ｍｍの範囲、たとえば１０から３０ｍｍの範囲である。

プロセスのさらに別の実施形態において、中空繊維膜は、膜の壁に流体を強制的に通すために、機械的に圧縮される。

本発明の一実施形態において、中空繊維膜は、膜の外径よりも小さい溝を担持するローラの上を案内される。したがって、中空繊維膜の圧縮は、溝幅に依存する。たとえば、３１５μｍの外径を有する中空繊維膜が２００μｍ幅の溝を有するローラの上を案内されて、１１５μｍの機械的圧縮を受ける。

本発明の一実施形態において、ローラの溝幅は０から３００μｍの範囲、たとえば５０から２００μｍの範囲である。

本発明の一実施形態において、中空繊維膜は、機械的圧縮の間に水ですすがれる。

図７は、本発明の一実施形態による絞り／挟み装置２０を示す。装置２０は、支持ローラ２１によって回転するゴデット（図示せず）上に配置されるように設計されているので、弓形になっている。中空繊維膜は、支持ローラの下、ならびに膜の外径よりも小さい溝を担持するローラ２２の下を案内され、こうして膜の機械的圧縮を発生させる。異なる溝を備えるローラが挟み装置２０上に容易に実装され得るように、ローラ２２は交換可能である。加えて、膜は機械的圧縮の間に、たとえば水などの流体ストリームによって洗浄される。

プロセスのさらに別の実施形態において、膜壁を通じて洗浄液を吸引するために、中空繊維に圧力勾配が印加される。

本発明の一実施形態において、中空繊維膜は、半径方向スロットを有するローラの上を案内される。スロットは、中空繊維膜の外径よりも小さい幅である。ローラは、スロットへのアクセスを有する中央チャンバをさらに担持する。中央チャンバおよびスロットに低圧力が印加されると、中空繊維膜はスロット内に吸い込まれる。そこで中空繊維上に水が注がれると、真空が外側から繊維を通じて中央チャンバ内に水を吸い込み、繊維をすすぐ水流を発生させる。

本発明の一実施形態において、圧力は０．２から１バールの範囲、たとえば０．４から０．８バールの範囲である。

上述の特徴および以下に記載される特徴が、指定された組み合わせのみならず、本発明の範囲を逸脱することなくその他の組み合わせまたはそのままでも使用され得ることは、理解されるだろう。

ここで本発明は、以下の実施例においてより詳細に記載される。実施例は本発明の範囲を限定するように意図されるものではなく、本発明の好適な実施形態の単なる説明であることは、理解されるべきである。

実施例
ｉ）中空繊維膜の遊離ＰＶＰおよびＮＭＰの判定
中空繊維膜中の遊離ＰＶＰおよびＮＭＰの量を判定するために、１４１本の繊維の束が糸車から切断され、遊離ＰＶＰおよびＮＭＰは以下のように抽出された。繊維の束は、２００ｍＬの水に浸漬されて、２０時間にわたって６０℃に保たれた。その後、水中のＰＶＰおよびＮＭＰの濃度が判定された。ＰＶＰは分光光度法によってヨウ素複合体として判定された。ＮＭＰは、固定相としてＲＰ−１８カラムおよび溶離液としてアセトニトリル３０重量％と水７０重量％の混合物を用いる逆相高性能液体クロマトグラフィ（ＲＰ−ＨＰＬＣ）によって判定された。ＮＭＰの光度検出は２１０ｎｍであった。

ｉｉ）ハンドバンドルの調製
性能試験のための膜束を調製するために、１５０本の中空繊維の束が２３ｃｍの所定長に切断される。繊維の末端は溶融によって閉じられている。光学制御によって、全ての繊維が十分に溶融していることを保証する。次に、繊維束の末端がポッティングキャップ内に移される。ポッティングキャップは機械的に固定され、ポッティングチューブがポッティングキャップの上に配置される。次に繊維がポリウレタンでポッティングされる。ポリウレタンが硬化した後、ポッティングされた膜束が切断されて繊維を開放し、異なる性能試験で使用される前に乾燥状態で保存される。

ｉｉｉ）ハンドバンドルの透水率（Ｌｐ）
膜束の透水率は、片側で封止された膜束を通じて所定量の圧力下の水に加圧すること、ならびに必要とされる時間を測定することによって、判定される。透水率は、判定された時間、有効膜表面積、印加された圧力、および膜を通じて加圧された水の量から計算されることが可能である。繊維の数、繊維長さ、および繊維の内径から、有効膜表面積が計算される。膜束は、Ｌｐ試験が実行される前に３０分間濡らされなければならない。この目的のため、膜束は５００ｍｌの超純水を収容する箱に入れられる。３０分後、膜束は試験システム内に移される。試験システムは、３７℃に保たれている水槽と、膜束が実装されることが可能な装置からなる。水槽の充填高さは、膜束が指定された装置内の水面より下に位置させられることを保証しなければならない。誤った試験結果をもたらす膜の漏れを回避するために、膜束と試験システムとの完全性試験が、事前に実行されなければならない。完全性試験は、束の片側で閉じられた膜束を通じて空気を加圧することによって、実行される。気泡は、膜束または試験装置の漏れを示す。漏れが試験装置内の膜束の不適切な実装によるものか否か、または本当の膜漏れが存在するか否かが確認されなければならない。膜の漏れが検出された場合には、膜束は廃棄されなければならない。完全性試験において印加される圧力は、印加された圧力が高すぎるために透水率の測定中に漏れが起こり得ないことを保証するために、透水率の判定中に印加される圧力と少なくとも同じ値でなければならない。

出発物質
・ＰＡＥＳ：ポリエーテルスルホンＵｌｔｒａｓｏｎ（Ｒ）Ｅ ６０２０Ｐ，ＢＡＳＦ Ｓ．Ｅ．
・ＰＶＰ Ｋ３０：ポリビニルピロリドンＬｕｖｉｔｅｃ（Ｒ）Ｋ３０，ＢＡＳＦ Ｓ．Ｅ．；Ｍｎ＝１４ｋＤａ，Ｍｗ＝５０ｋＤａ
・ＰＶＰ Ｋ８５：ポリビニルピロリドンＬｕｖｉｔｅｃ（Ｒ）Ｋ８５，ＢＡＳＦ Ｓ．Ｅ．；Ｍｎ＝２５０ｋＤａ；Ｍｗ＝１，１００ｋＤａ
・ＰＡ：ポリアミドＴｒｏｇａｍｉｄ（Ｒ）Ｔ５０００（Ｅｖｏｎｉｋ Ｄｅｇｕｓｓａ ＧｍｂＨ，４５７６４ Ｍａｒｌ）
・フラットジェットノズル６５０，Ｄｕｓｅｎ−Ｓｃｈｌｉｃｋ ＧｍｂＨ，９６２５３ Ｕｎｔｅｒｓｉｅｍａｕ
・超音波ソノトロードＵＩＰ１０００ｈｄ，Ｈｉｅｌｓｃｈｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ ＧｍｂＨ，１４５１３ Ｔｅｌｔｏｗ．

実施例１ａおよび１ｂ
ハイフラックス膜は、溶媒相反転紡糸プロセスによって調製された。ポリマー溶液を形成するために、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、およびＰＶＰ Ｋ３０／Ｋ８５（表１参照）が水／ＮＭＰ溶媒中に溶解された。ポリマー溶液はその後、２つの同心開口を備えるノズルの外輪スリットを通じて押し出され、その一方で中心流体はノズルの内側開口を通じて押し出された。最後に、得られた膜が洗浄された。表１は、関連するプロセスパラメータをまとめたものである。

その後、未消毒および消毒済みハンドバンドル（ｈｂ）で透水率が試験された。結果を表２に示す。

実施例２〜１３
最大量のＰＶＰおよびＮＭＰを除去するのに最良の条件を判定するために、４５ｍ／分の紡出速度で形成された実施例１ｂの中空繊維膜が異なる条件下で洗浄された。

参考として、膜はそれぞれ１つ、２つ、または３つの洗浄槽（ｗｂ）で洗浄された。洗浄槽内の膜によって被覆された距離は、１０ｍであった。次に１つから３つの加圧洗浄チャンバ（ｐｃ）を使用して、洗浄プロセスが延長された。洗浄条件は、表３にまとめられている。

加圧洗浄チャンバは図２に示されている。これらは円形の底部および円形の上部（図示せず）を含む。上部は、底部と上部との境界に沿って設けられた接続手段によって底部に接続されており、流れ方向に対して直角な加圧流体用の少なくとも１つの吸入口を担持する。膜が加圧チャンバに出入りできるようにするために、底部の境界には、底部の境界の内側から外側まで延在する２つの対向するスロットが設けられている。スロットは、それぞれ膜の吸入口および排出口として使用される。実験で使用されるチャンバにおいて、スロットは、０．５ｍｍのチャンバの内側と外側とを接続する軸に対して直角の幅を有していた。さらに、チャンバは１２．５ｃｍの内径を有していた。２つから３つの加圧チャンバが使用されたとき、１つのチャンバの排出口と第二チャンバの吸入口との間の距離は１５ｃｍであった。

加圧チャンバは、８５℃±５℃の温度の水を所望の圧力で洗浄チャンバ内に圧送する歯車ポンプ（Ｖｅｒｄｅｒｇｅａｒ ＶＧ１０００，Ｖｅｒｄｅｒ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ ＧｍｂＨ，４２７８１ Ｈａａｎ，ドイツ）に接続された。

得られた膜はその後、遊離ＰＶＰの含有量について分析された。結果は表４にまとめられている。

実施例１４〜１９
最大量のＰＶＰおよびＮＭＰを除去するのに最良の条件を判定するために、２０ｍ／分の紡出速度で形成された実施例１ａの中空繊維膜が異なる条件下で洗浄された。

参考として、膜はそれぞれ１つ、２つ、または３つの洗浄槽（ｗｂ）で洗浄された。次に１つから３つの加圧洗浄チャンバ（ｐｃ）を使用して、洗浄プロセスが延長された。洗浄条件は、表５にまとめられている。実施例２から１３と同じ加圧チャンバが使用された。

得られた膜はその後、遊離ＰＶＰの含有量について分析された。結果は表６にまとめられている。

実施例２０〜３５
最大量のＰＶＰおよびＮＭＰを除去するのに最良の条件を判定するために、４５ｍ／分の紡出速度で形成された実施例１ｂの中空繊維膜が異なる条件下で洗浄された。洗浄条件は、表７にまとめられている。

実施例２から１９で使用されたものと類似の加圧洗浄チャンバが採用された。チャンバは長方形であって、膜が１つのチャンバから次のチャンバへの途中で通過する水槽によって互いに接続された。違いとしては、洗浄水吸入口が、加圧チャンバの上部に垂直にではなく、チャンバの片側に水平に、中空繊維膜の紡出方向に対して直角に位置させられていた（図４）。洗浄水は、加圧洗浄チャンバに接続された熱交換器によって９０℃まで加熱された。

得られた膜はその後、遊離ＰＶＰの含有量について分析された。結果は表８にまとめられている。

実施例３６〜５３
実施例２０〜３５のような加圧洗浄チャンバを用いたさらなる実験が、４５ｍ／分の紡出速度で形成された実施例１ｂの中空繊維膜を用いて実行された。過剰圧力の代わりに、低圧力または低圧力と過剰圧力との組み合わせが印加された。洗浄条件および膜中の遊離ＰＶＰの含有量は、表９にまとめられている。

実施例５４〜５９
４５ｍ／分で紡出された実施例１ｂの中空繊維膜は３つの洗浄槽を通じて誘導されたが、各洗浄槽は、次の洗浄槽に進む前に膜が引き回されるゴデットを含んでいる。

中空繊維膜のすすぎプロセスを強化するために、最後の洗浄槽のゴデットの周りに絡められた膜を圧力洗浄するためのフラットジェットノズルが使用された。

２つの異なるノズルが使用された。１つめは、２．５ ｌ／分の出力および６０°の噴霧角度を有し（タイプ１）、２つ目は０．６ ｌ／分の出力および３０°の噴霧角度を有していた（タイプ２）。フラットジェットノズルは歯車ポンプ（Ｉｓｍａｔｅｃ ＢＶＰ−Ｚ，ＩＤＥＸ Ｈｅａｌｔｈ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ ＧｍｂＨ，９７８７７ Ｗｅｒｔｈｅｉｍ−Ｍｏｎｄｆｅｌｄ，ドイツ）と組み合わせられ、第一ノズルで２バール、第二ノズルで３バールの最大水圧を生じた。洗浄条件および結果は、表１０にまとめられている。

実施例６０〜６３
さらなる実験において、加圧洗浄チャンバと超音波の組み合わせが適用された。この目的のため、第一加圧洗浄チャンバは超音波装置をチャンバの上に垂直に実装することによって改造され、第二加圧洗浄チャンバは改造されなかった（図６）。ソノトロードは１０００Ｗの出力、２０ｋＨｚの周波数、および２５μｍの振動振幅を有していた。出力は５０％から１００％の間で変動可能である。振動振幅は、１．８または０．５６の係数を有するブースタによって変動可能である。実験条件および結果は、表１１にまとめられている。

実施例６４〜７３
さらなる実験において、実施例１の中空繊維膜は、流体を膜の壁に強制的に通すために、機械的に圧縮された。中空繊維膜は挟み装置、すなわち膜の外径よりも小さい溝を担持するローラの上を案内された（図７）。ローラは、異なる溝幅を有するローラと交換可能であった。したがって、中空繊維膜の圧縮は、溝幅に依存していた。３１５μｍの外径を有する実施例１の中空繊維膜は、たとえば、２００μｍ幅の溝を有するローラの上を案内されたときに１１５μｍの機械的圧縮を受けた。同時に、中空繊維膜は、低圧の水の噴出ですすがれた。実験条件および結果は、表１２にまとめられている。

Claims (7)

1. 膜壁を通る洗浄流体の増強された対流輸送によって中空繊維膜から残滓を除去するプロセスであって、中空繊維膜を膜の外径よりも小さい幅を有する溝を担持するローラの上に案内することによって、中空繊維膜は機械的に圧縮され、膜は溝を通され、機械的圧縮の間に洗浄流体ですすがれる、プロセス。
2. ローラの溝幅が５０から２００μｍの範囲である、請求項１に記載のプロセス。
3. 膜の壁を通じて洗浄流体を吸引するために中空繊維膜に真空が印加される、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 中空繊維膜が半径方向スロットを含むローラの上を案内され、スロットは中空繊維膜の外径よりも幅が小さく、ローラはスロットへのアクセスを有する中央チャンバをさらに含み、中央チャンバおよびスロットに真空を印加することによって中空繊維膜はスロット内に吸い込まれ、中空繊維上に洗浄流体を同時に注ぐことによって洗浄流体は外側から膜を通じて中央チャンバ内に吸い込まれる、請求項３に記載のプロセス。
5. 印加される真空が０．２から１バールの範囲の圧力に対応する、請求項３または４に記載のプロセス。
6. 圧力が０．４から０．８バールの範囲である、請求項５に記載のプロセス。
7. 洗浄流体が水である、請求項１から６のいずれか１項に記載のプロセス。

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