JPS6411322B2

JPS6411322B2 -

Info

Publication number: JPS6411322B2
Application number: JP56046346A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Hasegawa; Shohei Kamishiro; Nobuo Taneda
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1989-02-23
Also published as: JPS57162609A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は限外濾過、透析等の隔膜分離に使用し
得る膜、とくに血液透析濾過（Hemo dia
filtration）に適する再生セルロース膜およびそ
の製造方法に関する。本発明の目的は透析・濾過性能および物性の優
れた膜を提供することである。セルロースはその
分子鎖の化学構造が親水性である。すなわち、水
および水溶性溶質と親和性があること、および硬
い分子鎖と結晶性により優れた力学的強度をもつ
ことが知られている。従つて、セルロースエステ
ルを素材として用いて微孔膜構造を賦与すれば、
優れた溶質および水の透過性を有し、機械的強度
および耐熱性を有する膜を得ることができる。こ
の膜を隔膜分離に用いることにより、種々の応用
が期待できる。特にセルロースの化学的および熱
的安定性を利用して加熱滅菌をすることにより、
食品工業用や製剤工業用の膜および人工腎臓等の
医療用膜として使用できる。人工腎臓は血液浄化
手段であり、尿毒症患者の血液から、透析の原理
により、尿毒物質を除去しかつ電解質を調整し、
過剰の水分を限外濾過の原理で除去するものであ
る。近年血液透析濾過法という高い限外濾過性能
を有する膜を使用して人工腎臓療法（一般に人工
透析と言う）を行ない、無症候透析等の優れた治
療効果をあげている。セルロース膜はその製造方法により、ビスコー
ス法セロフアン膜、銅安法キユプロフアン膜およ
びセルロースエステル溶融膜を鹸化再生した鹸化
再生セルロース膜に分類できる。これらの膜の透
析性は十分であるが、限外濾過速度の範囲が狭く
低値である。一方、セルロースエステルを湿式製
膜をすることにより逆浸透膜から限外濾過膜まで
広範囲の限外濾過性能を発現しうることが知られ
ている。このことから、セルロースエステル湿式
製膜後に鹸化再生セルロース膜をつくれば高性能
膜が得られる可能性がある。セルロースエステル
膜、とくに中空糸を鹸化再生することにより優れ
た性能をもつセルロース膜を製造できることは本
発明者が特公昭51−49012号および特公昭51−
49013号公報にて開示している。また再生セルロ
ース中空糸が耐熱性を有し熱滅菌可能であること
も本発明者らが特開昭53−61576号公報に開示し
ている。その後、特開昭53−6627号、特開昭54−
138615号および特公昭55−103304号公報に湿式製
膜・鹸化再生セルロース膜が開示されている。先
行技術としては、セルロースエステル中空糸の半
乾半湿式紡糸方法が特開昭47−4010号公報に開示
され、加えてセルロースアセテート中空糸の鹸化
による再生セルロース中空糸を得ることはアブコ
ア社の技術資料（クレデイW.ハリス、改良され
た毛細管膜透析器の開発プログラム、PBレポー
トNo.201632，1971年、26〜33頁）に開示されてい
る。しかしながら、湿式製膜・鹸化再生セルロース
膜は上記の文献により公知であるにも拘らず、未
だ実用化されていない。実用化を阻害している問
題点として、膜の寸法・形状の安定性が低く、性
能設定が困難である上に機械的強度が低いなどの
種々の理由がある。膜の寸法に関しては湿式製膜
セルロースエステル膜を鹸化すると、一般に厚さ
および長さ方向において収縮して、膜モジユール
として組立る際に不都合であり性能的にも低下を
きたすこともある。形状面では、平膜におけるし
わ、および中空糸の屈曲と真円性の低下が問題と
なる。性能設定に関しては、限外濾過性能は発現
し易い反面、透析性が必ずしも十分発現できない
難点があり、更に両性能のバランスした膜形成が
困難となる場合がある。機械的強度の面では膜が
弱かつたり、剛性に欠けることがあり、均一な膜
形成が困難なことに起因して局所的に欠陥があれ
ば使用時膜のリーク、グリープ開裂等が起ること
もある。従来の文献には、膜に熱滅菌を施した例
が見られないように性能・形状面での耐湿熱性も
改良の余地がある。本発明者らはこれらの課題を解決すべく、セル
ロースエステルおよび製膜原液について検討を加
えた。特定な組成において、膜の寸法、形状、性
能および機械的強度の面で著しい改良を見出して
本発明を完成するに到つた。すなわち、本発明は、セルロースエステルを５
〜45重量％、アセトン、メチルエチルケトン又は
Ｎ−メチルピロリドンを40〜65重量％、ホルムア
ミド、メチルアルコール、エチルアルコール、ジ
メチルスルホキシド又はスルホランを２〜45重量
％、ポリエチレングリコール、グリセリン、乳酸
又はイソプロピルアルコールを１〜30重量％、及
び水を0.025〜７重量％含有した製膜原液を、湿
式、乾式又は半乾半湿式方法で製膜して原膜を
得、次いで苛性アルカリ溶液により該原膜を鹸化
して実質的に再生セルロース膜に再生せしめるこ
とからなるセルロース透析濾過膜の製造方法。本発明を説明する。本発明に用いるセルロースエステルはセルロー
スジアセテート、セルローストリアセテート、セ
ルロースプロピオネート、セルロースブチレート
およびニトロセルロースが好ましく、これらのう
ちセルロースジアセテート、セルローストリアセ
テートおよびニトロセルロースが溶解性および膜
性能・物性の面からとくに好ましい。このセルロ
ースエステルは単独に用いてもよいし、膜性能・
物性改良を目的として２種以上混合して使用でき
る。また同一のセルロースエステル（例えばセル
ロースジアセテート）において重合度等の異なる
ものを混合して用いることもできる。製膜原液の
溶解性、製膜性（中空糸においては曳糸性）およ
び性能再現性について検討したところ、本発明で
はセルロースエステルの水分率を0.5〜15％の範
囲内の所定の値に管理することにより安定した製
造条件と実用的に優れた製品を得ることができ
る。ここに水分率は(1)式で示されるものであり、
試料の重量と当該試料の絶乾時の重量との百分率
で表わすものである。水分率（％）＝セルロースエステルに含まれる水分／セルロース
エステルの重量×100 …(1) 水分率を低値にすると一般に原液粘度が上昇
し、性能が低目になる。一方高値にすると、原液
粘度が降下し、性能が高目となる。水分率が15％
以上であると、溶解性が低下する結果ゲル化した
り、相分離する場合がある。さらに製膜性が低下
して、膜が脆弱となる傾向があり、また十分な機
能を備えた膜が得離い。本発明に用いる有機液体は、セルロースエステ
ルの溶媒またはセルロースエステルに親和性を有
する液体であればよい。好ましいものとして、ア
セトン、蟻酸、酢酸、酢酸メチル、酢酸エチル、
カプロラクトン、ジオキサン、テトラヒドロラ
ン、メチルアルコール、エチルアルコール、メチ
ルエチルケトン、メチルセルソルブ、ジアセトン
アルコール、乳酸エチル、トリアセチン、塩化メ
チレン、クロロホルム、三塩化エタン、ホルムア
ミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトア
ミド、ニトロメタン、ニトロプロパン、ピロリド
ン、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシ
ド、スルホラン、燐酸トリエチル、を挙げること
ができる。他にメチルセルソルブアセテート、二
塩化エチレン、三塩化酢酸、酢酸カルビトール、
トルエン、等々があるが、限定されるものではな
く、これらからなる群から選ばれた２つ以上の液
体を用いることにより、優れた膜性能・物性を得
ることができる。２つ以上の液体の組合せとしては、溶媒−溶
媒、溶媒−助溶媒、溶媒−膨潤剤、溶媒−非溶媒
等の組合せがある。溶媒−溶媒の組合めでも水溶
性−不溶性、低沸点−高沸点、沈殿速度小−沈殿
速度大および緻密な膜を与えるもの−多孔膜を与
えるもの等の組合せを挙げることができる。セル
ロースエステルの種類、凝固溶（一般に水系）お
よび膜性能・構造設計の関点から好ましい組合せ
を選ぶことができ特に限定されるものではない。
代表的な例として下記組合せを挙げることができ
る。アセトンと酢酸、アセトンとジメチルスルホ
キシド、蟻酸とジメチルスルホキシド、アセトン
とメチルアルコール（90：10混合比を示す、以下
同じ）、アセトンとエチルアルコール（90：10）、
メチルエチルケトンとメチルアルコール（80〜
90：20〜10）、塩化メチレンとエチルアルコール
（90：10）、ニトロメタンとエチルアルコール（70
〜90：30〜10）、二塩化エチレンとエチルアルコ
ール（80：20）、ニトロプロパンとエチルアルコ
ール（80：20）、アセトンとトルエン、アセトン
とホルムアミド、ジメチルスルホキシドとエチル
アルコール、ジメチルホルムアミドとメチルアル
コール、アセトンとε−カプロラクトン、アセト
ンとスルホラン、アセトンとジオキサン、ジメチ
ルスルホキシドとトリアセチン。さらに本発明の製膜原液には水溶性有機化合物
を加えることが不可欠であり、これにより鹸化再
生セルロース膜の性能・物性を決定しうる。水溶
性有機化合物は少なくとも１つの前記有機液体に
溶解ないし混和するものでなければならない。本
発明の水溶性有機化合物は下記役割の少なくとも
１つを荷なうものであり、製膜原液に0.5〜50wt
％、好ましくは１〜30wt％、さらに好ましくは
２〜15wt％含ませるものである。これらの範囲
は添加効果と副作用を勘案して定めるべきもので
ある。役割として製膜原液の粘度調整、凝固速度
の調整、膜構造設計（緻密化、膨潤化、多孔化、
マクロボイド防止等）、鹸化助剤、寸法安定剤等
の作用を挙げ得る。本発明の水溶性有機化合物としては、分子量60
以上であること、及び少なくとも１つの水酸基を
もつものが好ましい。具体例としてプロピルアル
コール、ブチルアルコール、アリルアルコール、
シクロヘキシルアルコール等の１価アルコール；
エチレングリコール、プロピレングリコール、グ
リセリン、ジエチレングリコール、ポリエチレン
グリコール、ポリグリセリン等の多価アルコー
ル；乳酸、グリコール酸クエン酸等のオキシ酸；
ポリビニルアルコール、ヒドロキシエチルセルロ
ース等の水溶性高分子を挙げることができる。他
に水溶性有機化合物として、水溶性エステル、エ
ーテル、酸、複素環状化合物等があり、とくに限
定されるものではない。セルロースエステル、少なくとも２種の有機液
体および水溶性有機化合物から製膜原液を調製す
る。セルロースエステルは５〜45wt％が好まし
く、45wt％を越すと均一な溶解が困難であるか
又は粘度が高すぎて製膜しがたい。低濃度の場合
は得られた膜が脆弱になる傾向があるが、多孔性
支持体上に製膜する場合には低濃度の製膜原液で
も可能である。とくに中空糸状に製膜する場合は
曳糸性、膜強度等の観点から10〜35wt％が好ま
しい。セルロースエステルは0.5〜15％の範囲の所定
の含水率に調湿してから用いることが必要であ
る。この結果、製膜液中には0.025〜7wt％の水分
を含むことになる。水溶性有機化合物は前述したように0.5〜50wt
％の範囲で用いることが好ましい。50wt％を越
えると、均一な溶解が困難になり、場合によつて
は２層分離したり、固化、ゲル化したりして作業
上の支障がある。所定の添加効果と副作用を勘案
して、水溶性有機物の配合比率はさらに１〜
30wt％、好ましくは２〜15w％と範囲を限定す
ることがよい。本発明の製膜原液を公知の方法により、湿式、
乾式、または半乾半湿式方法で製膜する。膜形状
としては、平膜、筒状膜、毛細管膜および中空糸
膜等にすることができる。また均一膜、多孔膜、
複合膜等の膜構造を限定されるものではない。得られたセルロースエステル膜（原膜）を苛性
アルカリ溶液にて鹸化する。苛性アルカリとして
は水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カ
リウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウム
を用いることができる。溶液とは一般に水溶液ま
たはアルコール溶液である。後者の場合は処理膜
をさらに水で処理する必要がある。水溶液ではメ
チルアルコール等の鹸化促進剤、溶媒、膨潤剤、
塩や界面活性剤等の調整剤を必要に応じて加えて
もよい。鹸化反応は吸熱反応であるから、高温で
施すことが、処理時間の短縮化ができることから
好ましい。鹸化温度は65〜100℃が好ましい。鹸化によつて実質的にセルロースになつたこと
はアシル化度またはニトロ化度が０〜10％となる
こと、結晶構造がセルロース型結晶をとること
から確認することができる。ここにアシル化度ま
たはニトロ化度とは次式で定義するものである。アシル化度（％）＝酸残基に相当する酸の重量／セルロースエステ
ル重量×100 ニトロ化度（％）＝ニトロ残基に相当する硝酸の重量／ニトロセル
ロース重量×100 セルロース型結晶はＸ線回析像において、次
の面の回析角によつて確認することができる。
（101）面2θ＝12゜；（10１）面2θ＝20゜；および
（002）面2θ＝22゜である。低分子量物の指標化合物としては塩化カリウム
（分子量58）、尿素（60）、クレアチニン（113）が
ある。中分子量物としてはビタミンB₁₂（1355）
を用いて透析性を測定する。透析性は溶質水溶液
から膜を通して純水へ移動する溶質拡散を表わす
量であり、次式で定義できる。実際には37℃にお
ける溶質濃度の減少を測定して求める。透析性（cm／min）＝水溶液の容積（cm³）／膜面積（
cm²）×時間（min）ln（溶質初濃度／ある時間の濃度）
低分子量物の透析性は0.01〜0.05cm／minであ
り、0.02〜0.04cm／minが好ましい。中分子量物
の透析性は0.001〜0.01cm／minであり、0.002〜
0.006cm／minが好ましい。再生セルロース膜の透析性がいかなる条件で高
くなるかを本発明者らは永年探求してきたが、次
の４つの条件が必要である。第１に膜が薄い方が
透析性が高い。これは透析性が拡散定数を膜厚で
除したものであることから当然である。第２に均
一膜であること。この一見平明な条件は膜の研究
者や医学者から看過されてきた。いわく、非対称
膜や多孔膜がよい、さらに無定形膜がよいのでは
ないかと。しかしながら本発明者は検討の結果、
均一膜であつてさらに次の条件を見出した。すな
わち第３にミクロンオーダ以上の多孔膜乃至マク
ロボイド（数〜10μ）膜でないことが必要であ
る。ボイドは溶質の膜媒質中拡散輸送の防げとな
つているのである。第４に再生セルロースの結晶
性が高いこと。この発見は驚くべきことであつ
て、無定形状態のものが溶質の拡散に有利である
という技術常識と異なる。すなわち、慢然とした
無定形状態のセルロース膜等の膜媒質よりも結晶
性が高い微細組織を有する膜媒質の方が結果的に
溶質の拡散径路を与えている。以上の第２〜第４
の条件を本発明の再生セルロース膜は満たすこと
ができるので、透析性が改良されるものである。一方、水の限外濾過速度は湿式製膜時に固定さ
れた膜の多孔構造（μオーダー以下）および微細
組織による。すなわち水の流体力学的輸送は流路
の抵抗に反比例することは自明であり、セルロー
スエステル膜は製膜条件によつて広範囲の水の限
外濾過速度をとり得る。再生セルロースに鹸化再
生されても、基本的には原膜であるセルロースエ
ステル膜限外濾過速度を保持できる。本発明の膜
の限外濾過速度は１〜150ml／m²・hr・mmHgであ
り、好ましくは1.5〜100ml／m²・hr・mmHg、さ
らに好ましくは２〜50ml／m²・hr・mmHgである。本発明の膜をグリセリン等で処理して乾燥膜と
し、公知の形状のモジユールとし組立ることがで
きる。モジユール形状としては、平膜積層型、平
膜折りたたみ型、スパイラル膜型、筒状コイル
型、毛細管型および中空糸型等のいずれの型状の
ものでもよい。本発明によつて得られる膜は、低分子量物およ
び中分子量物の透析性および水の限外濾過性能に
優れている。また膜の物性および耐熱性も優れて
いるという利点を有する。特に医療用途では加熱
滅菌できるという利点を有するかかる膜性能に基
いて、本発明の膜は透析濾過器の主要な部材とな
り、工業用途、医療用途等において多岐にわたる
適用分野がある。工業用としては製剤、食品、発
酵工業用透析濾過器およびバイオリアクター等、
医療用としては血液濾過透析膜の応用すなわち人
工腎臓、人工肝臓、臨床検査機等の具体的利用を
例示できる。以下実施例により本発明をさらに説明する。実施例１セルロースジアセテート（帝人製Ｈタイプ酢化
度55.5％、重合度170）の水分率を8.9％に調湿し
たフレークスを用い、セルロースジアセテート
（25.5wt％；以下％と略す）、アセトン（40％）、
ホルムアミド（29％）、ポリエチレングリコール
（以下PEGと略す）＃400（３％）および水（2.5
％）からなる製膜原液を調整した。原液を脱泡濾
過したのち、２重管ノズルの外環から押出し内管
から芯液としてイソプロピルミリステートを同時
に吐出し、空気中を通し、冷水で凝固して水洗し
たのち15ｍ／minで巻き取り、外径が285μであり
内径が196μの中空繊維を得た。この繊維を水酸
化ナトリウム３％水溶液を用いて80℃に於て
3min処理して外径239μ、内径188μの真円性の優
れた、膜厚の均一な再生セルロース繊維を得た。
酢化度は1.4％で、Ｘ線回析によりセルロース
型結晶を確認した。糸物性および膜性能を第１表
に示す。

【表】比較例１〜８第２表に示す製膜原液を調整し、実施例１と同
様に製糸を試みたところ、記事に示すように本発
明の膜が得られなかつた。

【表】

【表】実施例２〜７第３表に示す製膜原液を調整し、実施例１と表
中に示す項目についてのみ変更して製糸した。結
果も同表に示す。何れも酢化度は４％以下で、得
られた中空繊維膜はセルロース型結晶であつ
た。

【表】

【表】実施例８実施例１と同様な組成の製膜原液をスリツト型
ダイから押しだして50μ厚の原膜を湿式凝固固定
した。水酸化ナトリウム水溶液で鹸化して32μ厚
の再生セルロース平膜を得た。膜性能はＫ（尿素）
＝0.027cm／min、水UFR＝5.7ml／m²・hr・mmHg
と優れたものであつた。実施例９ニトロセルロース（ダイセル製DN−RS−１、
硝化度12N％であつてHNO₃54％相当）の水分率
５％のものをイソプロピルアルコール30％に調整
したフレークスを用い、ニトロセルロース（７
％）、ジメチルスルホキシド（40.5％）、Ｎ−メチ
ルピロリドン（49％）、イソプロピルアルコール
（３％）及び水（0.5％）からなる製膜原液を調整
した。原液をポリプロピレン製不織布上にドクタ
ーナイフを用いて100μに流延し、0.5％水酸化カ
リウム水溶液を用いて80℃において15min処理し
て再生セルロース膜を得た。ニトロ化度は1.4％
（HNO₃相当）であつた。膜性能はＫ（尿素）＝
0.036cm／min、水UFR＝87ml／m²・hr・mmHgと
優れたものであつた。実施例 10 実施例１の再生セルロース中空繊維の長さ25cm
のものを8000本を集束し、ポリカーボネート製容
器に収め、透析濾過器を組立た。この透析濾過器
を121℃で20min熱滅菌した結果を第４表に示す。
この透析濾過器は豚血液濾液に蛋白質が漏出しな
いものであつて、血液透析濾過器として使用可能
なことが判つた。ここにダイアリザンスとは次式
に示すもので透析効率を示す。ダイアリザンス（ml／min）＝（溶質の入口濃度）−
（出口濃度）／（溶質の入口濃度）×血液流量200（ml
／min）

【表】流接触した。

Claims

【特許請求の範囲】

１セルロースエステルを５〜45重量％、アセト
ン、メチルエチルケトン又はＮ−メチルピロリド
ンを40〜65重量％、ホルムアミド、メチルアルコ
ール、エチルアルコール、ジメチルスルホキシド
又はスルホランを２〜45重量％、ポリエチレング
リコール、グリセリン、乳酸又はイソプロピルア
ルコールを１〜30重量％、及び水を0.025〜７重
量％含有した製膜原液を、湿式、乾式又は半乾半
湿式方法で製膜して原膜を得、次いで苛性アルカ
リ溶液により該原膜を鹸化して実質的に再生セル
ロース膜に再生せしめることからなるセルロース
透析濾過膜の製造方法。