JPWO2016117565A1

JPWO2016117565A1 - 多孔質中空糸濾過膜

Info

Publication number: JPWO2016117565A1
Application number: JP2016570659A
Authority: JP
Inventors: 祐造佳山; 雅廉小室; 貢白石
Original assignee: Asahi Kasei Medical Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Medical Co Ltd
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-01-19
Also published as: EP3248672A4; WO2016117565A1; JP6433513B2; EP3248672A1; US20170348650A1

Abstract

本発明は、ポリスルホン系高分子と親水性高分子を含み、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造を有し、膜中の親水性高分子の含有率が６．０〜１２．０質量％であり、外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比が１．２０〜１．６０である多孔質中空糸濾過膜を提供する。

Description

本発明は、多孔質中空糸濾過膜に関する。

近年、副作用が少ないことや治療効果が高いことにより、血漿分画製剤やバイオ医薬品を用いた治療が広まってきている。しかし、血漿分画性製剤はヒト血液由来であることから、バイオ医薬品は動物細胞由来であることから、ウイルス等の病原性物質が混入する可能性があり、混入する可能性のある病原性物質を処理する工程を含まずに製造した血漿分画製剤やバイオ医薬品を患者等に投与するとウイルスに感染するリスクがある。
血漿分画製剤やバイオ医薬品の精製工程において、ウイルス感染に対する安全性を付加する技術が用いられている。
安全性を付加する技術として、ウイルスを不活化する方法及びウイルスを除去する方法が挙げられる。

ウイルスを不活化する方法として、加熱処理、光学的処理、及び化学薬品処理等が挙げられ、ウイルスを除去する方法として、膜濾過法が挙げられる。
近年、ウイルスを不活化する方法における、タンパク質の変性、不活化効率、及び薬品の混入等の問題から、ウイルスの熱的及び化学的な性質にかかわらず、すべてのウイルスに有効な膜濾過法が広まっている。

ウイルスの種類としては、小さいウイルスとして、直径１８〜２４ｎｍのパルボウイルスや直径２５〜３０ｎｍのポリオウイルスがあり、比較的大きいものでは直径８０〜１００ｎｍのＨＩＶウイルスがある。近年、パルボウイルス等の小さいウイルス除去に対するニーズが特に高まっている。

精製工程に使用されるウイルス除去膜に求められる第一の性能は、安全性である。安全性とは、血漿分画製剤やバイオ医薬品にウイルス等の病原性物質を混入させないことである。
ウイルス除去膜に求められる第二の性能は、生産性である。生産性とは、５ｎｍサイズのアルブミンや１０ｎｍサイズのグロブリン等のタンパク質を効率的に回収することである。
生産性の観点から、孔径が数ｎｍ程度の限外濾過膜及び血液透析膜、並びにさらに小孔径の逆浸透膜は、濾過時にタンパク質が孔を閉塞させ、濾過中にＦｌｕｘが低下し、タンパク質の回収効率が低下するため、ウイルス除去膜として適していない。また、パルボウイルス等の小さいウイルス除去を目的とした場合、ウイルスのサイズとタンパク質のサイズが近いため、上記の安全性と生産性を両立させる高度な技術が要求される。加えて、濾過中のＦｌｕｘ低下の原因は、サイズ因による孔の閉塞だけではなく、タンパク質の孔表面への吸着による孔の閉塞もある。
したがって、ウイルス除去膜は、孔径の精密な設計だけではなく、孔表面の設計も重要となる。

特許文献１には、ポリスルホン系高分子とビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合体のブレンド状態から製膜されたウイルス除去膜が開示され、親水性高分子であるビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合体が膜厚方向で均一に分散していることを、外表面近傍と膜全体の親水性高分子の含有率測定により評価している。
特許文献２には、ポリスルホン系高分子とビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合体のブレンド膜に多糖類誘導体がコーティングされたウイルス除去膜が開示されている。

国際公開第２０１３／０１２０２４号特許第５４０３４４４号

特許文献１では、膜厚方向に親水性高分子を均一に分散させることにより、タンパク質の膜への吸着のリスクが膜全体で同レベルであるとしている。しかし、タンパク質溶液濾過中のタンパク質の膜への吸着による目詰まりを抑制するためには、膜中の孔径の最も小さい領域である緻密層でのタンパク質の吸着を抑制する必要があるが、この課題は解決されていない。
特許文献２では、特許文献１と同様の方法で製膜した中空糸膜に多糖類誘導体を製膜後にコーティングすることにより、タンパク質溶液濾過中のタンパク質の膜への吸着による目詰まりを抑制している。このことから、特許文献１の方法で製膜された中空糸膜における親水性高分子の膜中の分散状態では、タンパク質の膜への吸着を十分に抑制できないことが推察される。また、製膜後に多糖類誘導体をコーティングすると、孔表面上の多糖類誘導体の分散状態の不均一性から、ビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合体の分散状態に不均一性が生じるため、孔表面上でのタンパク質の吸着のリスクが同レベルとならず、局所的なタンパク質の吸着が周囲に伝播し、目詰まりが起こるリスクが生じる。そして、タンパク質溶液を濾過することを目的とする膜においては、緻密層でのタンパク質の吸着を抑制する必要があるが、この課題はやはり解決されていない。

本発明が解決しようとする課題は、タンパク質溶液濾過中の緻密層の細孔表面へのタンパク質の吸着を抑制し、タンパク質透過性に優れた多孔質中空糸濾過膜を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、外表面及び膜中での親水性高分子の含有率を制御することにより、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、以下の通りである。
（１）
ポリスルホン系高分子と親水性高分子を含み、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造を有し、膜中の親水性高分子の含有率が６．０〜１２．０質量％であり、外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比が１．２０〜１．６０である多孔質中空糸濾過膜。
（２）
純水の透過速度が６０〜２００Ｌ／（ｈｒ・ｍ²・ｂａｒ）である、（１）に記載の多孔質中空糸濾過膜。
（３）
緻密層の厚みが２〜１０μｍである、（１）または（２）に記載の多孔質中空糸濾過膜。
（４）
前記ポリスルホン系高分子が、ポリエーテルスルホンである、（１）〜（３）のいずれかに記載の多孔質中空糸濾過膜。
（５）
前記親水性高分子が、ビニルピロリドンを含有する共重合体である、（１）〜（４）のいずれかに記載の多孔質中空糸濾過膜。
（６）
タンパク質溶液に含まれるウイルスを除去し、タンパク質を回収するのに用いられる、（１）〜（５）のいずれかに記載の多孔質中空糸濾過膜。

本発明によれば、濾過中の細孔表面へのタンパク質の吸着を抑制し、タンパク質透過性に優れた多孔質中空糸濾過膜を提供することができる。

走査型電子顕微鏡にて観察した画像（図１上）を空孔部、実部で二値化した結果（図１下）の例である。白部が実部であり、黒部が空孔部である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。

本実施形態の多孔質中空糸濾過膜は、ポリスルホン系高分子と親水性高分子を含み、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造を有し、膜中の親水性高分子の含有率が６．０〜１２．０質量％であり、外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比が１．２０〜１．６０である。

本実施形態の多孔質中空糸濾過膜は、ポリスルホン系高分子と親水性高分子を含む。
ポリスルホン系高分子とは、下記式１で示される繰り返し単位を有するポリスルホンであるか、下記式２で示される繰り返し単位を有するポリエーテルスルホンである。
ポリスルホン系高分子のうち、溶液中での会合体の形成防止等、溶解性の観点で、ポリエーテルスルホンが好ましい。

式１：

式２：

ポリスルホン系高分子としては、式１や式２で示される構造において、官能基やアルキル基等の置換基を含んでもよく、炭化水素骨格の水素原子はハロゲン等の他の原子や置換基で置換されてもよい。
ポリスルホン系高分子は、単独で使用しても、２種以上を混合して使用してもよい。

親水性高分子はポリスルホン系高分子と相溶するものであれば、特に限定されないが、ポリスルホン系高分子との相溶性が高く、製膜原液中に親水性高分子を多く混合できるという点で、ビニルピロリドンを含有する共重合体が好ましい。
ビニルピロリドンを含有する共重合体としては、ポリスルホン系高分子との相溶性の観点で、ビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合体が好ましい。ビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合比は、タンパク質の膜表面への吸着やポリスルホン系高分子との膜中での相互作用の観点から、６：４から９：１が好ましい。
ビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合体としては、具体的には、ＢＡＳＦ社より市販されているＬＵＶＩＳＫＯＬ（商品名）ＶＡ６４及びＶＡ７３等が挙げられる。
親水性高分子は、単独で使用しても、２種以上を混合して使用してもよい。

本実施形態の多孔質中空糸濾過膜は、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造を有する。
本実施形態において、内表面とは、多孔質中空糸濾過膜における中空糸の中空部側の表面を意味し、外表面とは、中空部表面とは膜厚方向に反対側の膜表面を意味する。

多孔質中空糸濾過膜が、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造であることは、中空糸断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影することで決定される。例えば、撮影倍率を５０，０００倍に設定し、中空糸断面の任意の部位において膜厚方向に対して水平に視野を設定する。設定した一視野での撮影後、膜厚方向に対して水平に撮影視野を移動し、次の視野を撮影する。この撮影操作を繰り返し、隙間なく膜断面の写真を撮影し、得られた写真を結合することで一枚の膜断面写真を得る。この断面写真において、（膜の円周方向に２μｍ）×（外表面から内表面側に向かって１μｍ）の範囲における平均孔径を算出し、外表面から内表面側に向かって１μｍ毎に膜断面の傾斜構造を数値化する。
かかる数値化により、多孔質中空糸濾過膜が、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型多孔質構造を有することを確認することができる。
本実施形態において、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造を有するとは、外表面から内表面に向かって、平均孔径が大きくなる傾向があることが確認できる構造であればよく、外表面から内表面側に向かって１μｍの範囲の平均孔径が最小であり、内表面から外表面側に向かって１μｍの範囲の平均孔径が最大であることを意味しない。

平均孔径の算出方法は、画像解析を用いた方法で算出する。具体的には、ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｂｅｔｉｃｓ社製Ｉｍａｇｅ−ｐｒｏｐｌｕｓを用いて空孔部と実部の二値化処理を行う。明度を基準に空孔部と実部を識別し、識別できなかった部分やノイズをフリーハンドツールで補正する。空孔部の輪郭となるエッジ部分や、空孔部の奥に観察される多孔構造は空孔部として識別する。二値化処理の後、空孔／１個の面積値を真円と仮定し、空孔の直径を算出する。全ての空孔毎に実施し、１μｍ×２μｍの範囲毎に平均孔径を算出していく。なお、視野の端部で途切れた空孔部についてもカウントすることとする。
本実施形態においては、平均孔径が５０ｎｍ以下であると算出された１μｍ×２μｍの範囲は緻密層と定義する。

緻密層における細孔が閉塞されるとＦｌｕｘが低下する。すなわち、膜のＦｌｕｘは、緻密層の厚さ、及び緻密層における孔径に支配される。
濾過上流側から濾過下流側に向けて、細孔の平均孔径が小さくなる膜は、濾過上流において大きな粒子を捕捉でき、大きな粒子の緻密層の閉塞によるＦｌｕｘの低下を抑制することができる。
本実施形態においては、多孔質中空糸濾過膜が、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造を有するため、外表面側にある緻密層における細孔の閉塞によるＦｌｕｘの低下を抑制することができる。

緻密層における細孔の閉塞には２種類ある。
一つは、溶質のサイズよりも小さい細孔が、溶質により閉塞されるというサイズを因子（サイズ因）とするものであり、もう一つは、溶質が細孔表面に吸着することにより、細孔が閉塞されるという吸着を因子（吸着因）とするものである。
サイズ因による細孔の閉塞は濾過中断続的に起こり、吸着因による細孔の閉塞は、主に、濾過初期に観察される。
タンパク質透過性を向上させるためには、サイズ因に加え、緻密層における細孔表面へのタンパク質の吸着を抑制し、濾過初期の著しいＦｌｕｘ低下を抑制することが重要である。

本実施形態の多孔質中空糸濾過膜は、膜中の親水性高分子の含有率が６．０〜１２．０質量％であり、外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比が１．２０〜１．６０である。
本実施形態においては、外表面及び膜中での親水性高分子の含有量を制御することにより、緻密層における細孔表面へのタンパク質の吸着を抑制し、吸着によるＦｌｕｘ低下を抑制することができる。
外表面及び膜中での親水性高分子の含有量として、膜中の親水性高分子の含有率を６．０〜１２．０質量％とすることにより、孔表面上の親水性高分子の厚みによる細孔の縮小を抑制することができる。また、外表面及び膜中での親水性高分子の含有量として、膜中の親水性高分子の含有率を６．０〜１２．０質量％とし、外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比を１．２０〜１．６０とすることにより、Ｆｌｕｘ低下を抑制することができる。

本実施形態においては、親水性高分子の外表面及び膜中の含有量の測定は以下のようにして行う。
多孔質中空糸濾過膜を厚さ１０μｍで膜厚方向に切断する。切断した多孔質中空糸濾過膜断片を臭化カリウム板ではさみ、５×５μｍを１セグメントとし、顕微ＦＴ−ＩＲにより透過法で膜厚方向に連続的に測定する。測定したスペクトルよりポリスルホン系高分子由来のピーク（１５８０ｃｍ^-1付近）と親水性高分子由来のピーク（例えば、カルボニル結合を有する親水性高分子ならば、１７３０ｃｍ^-1付近、例えば、エーテル結合を有する親水性高分子ならば、１１００ｃｍ^-1付近）を検出し、親水性高分子由来のピークの吸光度面積／ポリスルホン系高分子由来のピークの吸光度面積比より、各分割したセグメントにおける親水性高分子の含有率として算出する。
各セグメントの親水性高分子の含有率の平均値を親水性高分子の膜中の含有率とする。
膜厚方向で最外表面側のセグメントの親水性高分子の含有率／親水性高分子の膜中の含有率を外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比として算出する。

本実施形態において、緻密層において、濾過初期のタンパク質の吸着によるＦｌｕｘ低下を抑制し、優れたタンパク質透過性を示すことは免疫グロブリンの濾過試験により確認することができる。
免疫グロブリンの濾過試験は実施例に記載の方法により行うことができる。
免疫グロブリンの濾過試験において、Ｆｌｕｘ低下を抑制しているということは、１．５質量％の免疫グロブリンを２．０ｂａｒで定圧濾過したときの、濾過開始後５分経過時のＦｌｕｘ（Ｆ₅）と純水を１．０ｂａｒで定圧濾過した時の透水量を２倍した値（Ｆｗ）の比（Ｆ₅／Ｆｗ）が０．５０以上であることである。

有用成分であるタンパク質の透過性を向上させるためには、緻密層におけるタンパク質の吸着を抑制することに加え、高い濾過圧で操作できることが好ましい。濾過圧を高く設定することにより、Ｆｌｕｘを高くすることができるからである。
高い濾過圧での操作は、基材に耐圧性を有するポリスルホン系高分子を用いることにより実現される。

タンパク質の透過性をさらに向上させるためには、ウイルス除去性能を発揮し得る範囲内で、純水の透過速度を高くすることが好ましい。純水の透過速度はタンパク質溶液の濾過速度Ｆｌｕｘの目安となる。
タンパク質溶液は純水に比べ溶液の粘度が高くなるため、純水の透過速度よりも低くなるが、純水の透過速度が高いほど、タンパク質溶液の濾過速度は高くなる。本実施形態の多孔質中空糸濾過膜の純水の透過速度は６０〜２００Ｌ／（ｈｒ・ｍ²・ｂａｒ）が好ましく、１００〜１８０Ｌ／（ｈｒ・ｍ²・ｂａｒ）がより好ましい。
純水の透過速度が６０Ｌ／（ｈｒ・ｍ²・ｂａｒ）以上であることにより、濾過時間が長過ぎず、高効率にタンパク質を回収可能である。また、純水の透過速度が２００Ｌ／（ｈｒ・ｍ²・ｂａｒ）以下であることにより、ウイルス除去性能を発揮することができる。
純水の透過速度は実施例に記載の方法により測定することができる。

ウイルス除去膜におけるウイルス除去機構は下記のように考えられている。
ウイルスを含んだタンパク質溶液は透過方向に対して垂直なウイルス捕捉面が何層も重なったウイルス除去層を透過する。
ウイルス捕捉面中の細孔の大きさには必ず分布が存在し、ウイルスのサイズよりも小さな細孔の部分でウイルスが捕捉される。一つのウイルス捕捉面でのウイルス捕捉率は低いが、ウイルス捕捉面が何層も重なることにより、高いウイルス除去性能が実現される。例えば、一つのウイルス捕捉面でのウイルス捕捉率が２０％であっても、ウイルス捕捉面が５０層重なることにより、全体としてのウイルス捕捉率は９９．９９９％となる。
ウイルス除去膜では、ウイルスは多層で捕捉することによりウイルス捕捉能力を高くすることができるため、緻密層を厚くすることが好ましい。タンパク質のＦｌｕｘ低下抑制の観点から、緻密層の厚さを一定の範囲内にすることが好ましい。
ウイルス除去の安全性とタンパク質回収効率の生産性を両立させる観点から、緻密層の厚さは２〜１０μｍであることが好ましく、２〜８μｍであることがより好ましい。

本実施形態の多孔質中空糸濾過膜のパルボウイルスクリアランスは、ＬＲＶとして４．０以上が好ましく、５．０以上であることがより好ましい。
パルボウイルスとして、実液に近いもの、操作性の簡便性からブタパルボウイルス（ＰＰＶ）であることが好ましい。
ＰＰＶのＬＲＶは実施例に記載の方法により測定することができる。

本実施形態において、多孔質中空糸濾過膜は、特に限定されるものではないが、以下のようにして製造することができる。
例えば、ポリスルホン系高分子、親水性高分子、及び溶媒を混合溶解し、脱泡したものを製膜原液とし、内液（芯液）とともに、二重管ノズル（紡口）の環状部、中心部からそれぞれ同時に吐出し、空走部を経て凝固液中に導いて中空糸を形成する。得られた中空糸を、水洗後巻取り、中空部内の液抜き、熱処理、乾燥させる。

製膜原液に使用される溶媒は、ポリスルホン系高分子と親水性高分子の良溶媒であり、かつ、ポリスルホン系高分子と親水性高分子が相溶する溶媒であれば、広く使用することができるが、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジメチルスルホキシド、及びε―カプロラクタム等が挙げられ、ＮＭＰ、ＤＭＦ、及びＤＭＡｃ等のアミド系溶媒が好ましく、ＮＭＰがより好ましい。

製膜原液には非溶媒を添加するのが好ましい。製膜原液に使用される非溶媒としては、例えば、グリセリン、水、及びジオール化合等が挙げられ、ジオール化合物が好ましい。
ジオール化合物とは、分子の両末端に水酸基を有する化合物であり、ジオール化合物としては、下記式３で表され、繰り返し単位ｎが１以上のエチレングリコール構造を有する化合物が好ましい。
ジオール化合物としては、例えば、ジエチレングリコール（ＤＥＧ）、トリエチレングリコール（ＴｒｉＥＧ）、テトラエチレングリコール（ＴｅｔｒａＥＧ）、及びポリエチレングリコール等が挙げられ、ＤＥＧ、ＴｒｉＥＧ、及びＴｅｔｒａＥＧが好ましく、ＴｒｉＥＧがより好ましい。

式３：

製膜原液中の溶媒／非溶媒の質量比は、同量程度であればよく、３５／６５〜６５／３５が好ましい。非溶媒の量が質量比として６５／３５以下であると、凝固が適度な速さで進行するため、過度に大きな孔径が生じにくく、タンパク質溶液の処理用途の濾過膜として好ましい膜構造を有する多孔質中空糸濾過膜を得ることができる。非溶媒の量が質量比として３５／６５以上であることで、凝固の進行が速すぎないので、過度に小さな孔径が生じにくく、また、構造欠陥となるマクロボイドも生じにくいため、好ましい。

製膜原液中のポリスルホン系高分子の濃度は１５〜３５質量％が好ましく、２０〜３０質量％がより好ましい。
製膜原液中のポリスルホン系高分子の濃度を１５質量％以上とすることにより、適当な膜強度とすることができると共に、空孔率を上げることにより高い透過性能を得ることができる。製膜原液中のポリスルホン系高分子の濃度を３５質量％以下にすることにより、空孔率が低くなり過ぎず、透過性能を維持できるだけでなく、膜のウイルス捕捉容量が高く保つことができる。

製膜原液中の親水性高分子の濃度は５〜１２質量％が好ましい。
製膜原液中の親水性高分子の濃度が５質量％以上とすることにより、得られる膜が十分に親水性化される。タンパク質溶液の濾過に使用する場合でも、タンパク質が膜に吸着しにくく、Ｆｌｕｘ低下が起こり難い観点で、濃度が５質量％以上であることが好ましい。製膜原液中の親水性高分子の濃度を１２質量％以下とすることにより、得られる膜において孔表面上の親水性高分子の厚みが厚過ぎず、過度に孔径が小さくならないので好ましい。また、乾燥後に中空糸同士が固着する糸付きを防止する観点で、濃度を１２質量％以下であることが好ましい。

製膜原液は、ポリスルホン系高分子、親水性高分子、溶媒、及び非溶媒を一定温度で、撹拌しながら溶解することで得られる。この時の温度は、常温より高い、３０〜６０℃が好ましい。３級以下の窒素を含有する化合物（ＮＭＰ及びビニルピロリドン等）は空気中で酸化され、加温するとさらに酸化が進行しやすくなるため、製膜原液の調製は不活性気体雰囲気下で行うことが好ましい。不活性気体としては、窒素及びアルゴン等が挙げられ、生産コストの観点から窒素が好ましい。

製膜原液中に気泡が存在すると、大きな気泡は紡糸中の糸切れの原因となり、小さな気泡は製膜後にマクロボイドを形成し、膜の構造欠陥の原因となるため、脱泡することが好ましい。
脱泡工程は以下のように行うことができる。
完全に溶解された製膜原液が入ったタンク内を５０℃に加温し、２ｋＰａまで減圧し、１時間以上静置する。この操作を７回以上繰り返すことが好ましい。脱泡するときの圧力は溶媒の沸点より高くすることが好ましい。脱泡効率をあげるため、脱泡中に製膜原液を撹拌してもよい。

製膜原液は、紡口から吐出される前までに、異物を除去することが好ましい。大きな異物は紡糸中の糸切れの原因となり、小さな異物は膜の構造欠陥の原因となる。異物の少ない原料を用いることにより、異物の混入リスクは低減できる。
製膜原液タンクのパッキン等からの異物の混入を除去するために、製膜原液が紡口から吐出される前に、フィルターを設置することが好ましく、孔径違いのフィルターを多段で設置することがより好ましい。具体的には、製膜原液タンクに近い方から、順に孔径１０μｍのメッシュフィルター、孔径３μｍのメッシュフィルターを設置するのが好ましい。

製膜時に使用される内液として、製膜原液及び凝固液に使用される成分と同じ成分を使用することが好ましい。製膜原液の溶媒／非溶媒として、例えばＮＭＰ／ＴｒｉＥＧ、凝固液の溶媒／非溶媒としてＮＭＰ／ＴｒｉＥＧ及び水を使用したならば、内液は、ＮＭＰ／ＴｒｉＥＧ及び水から構成されることが好ましい。
内液中の溶媒量が多くなると、凝固の進行を遅らせ、膜構造形成をゆっくりと進行させる効果があり、非溶媒量が多くなると、増粘効果により、溶液の拡散を遅らし、凝固の進行を遅らせ、膜構造形成をゆっくりと進行させる効果があり、水が多くなると、凝固の進行を早める効果がある。
凝固の進行を適切に進行させ、膜構造を制御し、本実施形態の多孔質中空糸濾過膜の好ましい膜構造を得るためには、内液中の有機成分である溶媒／非溶媒の比率を質量比でほぼ同量、例えば３５／６５〜６５／３５とし、有機成分／水の比率を質量比で７０／３０〜１００／０にすることが好ましい。

紡口温度は、適当な孔径とするために、４０〜６０℃が好ましい。
製膜原液は紡口から吐出された後、空走部を経て、凝固浴に導入される。空走部の滞留時間は０．０１〜０．７５秒が好ましく、０．０５〜０．４秒がより好ましい。滞留時間を０．０１秒以上とすることにより、凝固浴導入までの凝固を十分に進め、適当な孔径とすることができる。滞留時間を０．７５秒以下とすることにより、凝固の過度な進行を防ぎ、凝固浴での精密な膜構造制御を可能にする。

ドラフト比は、紡糸工程での中空糸膜への延伸を制御するために、１．１〜６．０が好ましく、１．１〜４．０がより好ましい。ドラフト比とは、引取り速度と紡口からの製膜原液吐出線速度との比を意味する。
ドラフト比が高いとは、紡口から吐出されてからの延伸比が高いことを意味する。
一般的に、湿式相分離法で製膜されるとき、製膜原液が空走部を経て、凝固浴を出たときに、大方の膜構造が決定される。膜内部は、高分子鎖が絡み合うことにより形成される実部と高分子が存在しない空孔部となっている虚部から構成される。詳細な機構は不明であるが、凝固が完了する前に中空糸膜が過度に延伸されると、言い換えると、高分子鎖が絡み合う前に過度に延伸されると、高分子鎖の絡み合いが引き裂かれ、空孔部が連結されることにより、過度に大きな孔が形成されたり、空孔部が分割されることにより、過度に小さな孔が形成される。過度に大きな孔はウイルス漏れの原因となり、過度に小さな孔は目詰まりの原因となる。わずかな構造欠陥でも、ウイルス除去を目的とした膜においては、致命的となるため、ドラフト比は極力小さくすることが好ましい。

製膜原液はフィルター、紡口を通り、空走部で適度に凝固された後、凝固液に導入される。凝固液に導入された製膜原液中の親水性高分子はポリスルホン系高分子の凝固に巻き込まれ、膜中に取り込まれるものと、ポリスルホン系高分子の凝固に巻き込まれず、凝固液中に拡散していくものがある。凝固液中に親水性高分子を添加することにより、製膜原液中と凝固液中の親水性高分子の濃度勾配を緩やかにすることで、この拡散速度を遅くさせ、中空糸膜の外表面側の親水性高分子の含有量を膜全体平均よりも多くすることが実現される。外表面の親水性高分子の含有率と膜全体の親水性高分子の含有率の比を１．２０〜１．６０にするためには、凝固液に添加する親水性高分子の量は、凝固液中２．０〜７．０質量％であることが分かった。

凝固液は溶媒、非溶媒、水、及び親水性高分子から構成される。凝固液中の溶媒は凝固を遅らせる効果があり、水は凝固を早める効果があるため、凝固液組成は、溶媒／非溶媒は質量比で３５／６５〜６５／３５で、溶媒／水は質量比で７０／３０〜１０／９０が好ましい。溶媒／水の質量比の好ましい上限は、凝固を適切に進めて過度に大きな孔ができるのを防ぐ観点で設定される。好ましい下限は、凝固が早すぎて過度に小さな孔ができるのを防ぐ観点で設定される。
凝固浴温度は、孔径制御の観点で、３０〜６０℃が好ましい。

紡糸速度は、欠陥のない多孔質中空糸濾過膜が得られる条件であれば特に限定されないが、好ましくは５〜１５ｍ／ｍｉｎである。紡糸速度は生産性の観点で５ｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、空走部の滞留時間の確保とドラフト比の適正化を可能にする観点で１５ｍ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。

凝固浴から引き上げられた中空糸膜は、水洗槽に導入されて温水で洗浄される。凝固浴から引き上げられた中空糸膜が水洗槽に導入されるまでの空中滞留時間を過度に長くなると、空中滞留中に外表面側からの中空糸の乾燥が過度に進行する。凝固浴中に親水性高分子が存在するため、凝固浴から出た中空糸膜の外表面近傍には、凝固浴に含まれる親水性高分子が存在する。中空糸外表面側の過度な乾燥を抑制し、外表面近傍の余分な親水性高分子を効率的に洗浄するため、凝固浴から水洗槽までの空中の滞留時間は１０秒未満とすることが好ましい。
温水での水洗工程では、溶媒と膜に固定化されていない親水性高分子を確実に除去することが好ましい。中空糸膜が溶媒を含んだまま乾燥されると、乾燥中に膜内で溶媒が濃縮され、ポリスルホン系高分子が溶解または膨潤することにより、膜構造を変化させる可能性があり、膜に固定化されていない親水性高分子が残存すると、孔を閉塞させ、膜の透過性を低下させる可能性がある。除去すべき溶媒及び非溶媒並びに膜に固定化されていない親水性高分子の拡散速度を高め、水洗効率を上げるため、温水の温度は５０℃以上が好ましい。水洗工程は、ネルソンローラを使用することが好ましい。十分に水洗を行うため、中空糸膜の水洗浴中の滞留時間は残存したＮＭＰにより、ウイルス除去膜として好ましくない膜構造に変化するのを防止する観点で８０秒以上が好ましく、不要成分の除去を目的とした水洗工程は長いほど好ましいが、生産効率の点から、３００秒以下とすることが適当である。

水洗浴から引き上げられた中空糸膜は、巻取り機でカセに巻き取られる。この時、中空糸膜を空気中で巻き取ると、膜は徐々に乾燥していき、わずかであるが、膜は収縮する。そして、巻取り初期と後期の膜の収縮度が異なり、膜構造が異なることとなり、生産工程において得られる中空糸膜の不均一性の原因となる。従って、中空糸膜は水中で巻き取られることが好ましい。

カセに巻き取られた中空糸膜は、両端部を切断し、束にし、弛まないように支持体に把持させる。そして、把持された中空糸膜は、熱水中に浸漬、洗浄される。カセに巻き取られた状態の中空糸膜の中空部には、ナノメートルからマイクロメートルサイズのポリスルホン系高分子の微粒子が浮遊している白濁液が残存している。白濁液を除去せず、中空糸膜を乾燥させると、ポリスルホン系高分子の微粒子が中空糸膜の孔を塞ぎ、膜性能が低下するため、中空部内の白濁液を除去することが好ましい。
熱水処理工程では、中空糸膜の内表面側からも洗浄されるため、水洗工程で除去しきれなかった、膜に固定されなかった親水性高分子等が効率的に除去される。熱水の温度は５０〜１００℃が好ましい。熱水の温度は５０℃以上とすることが、洗浄効率を高くできる点で、好ましい。洗浄時間は３０〜１２０分が好ましい。熱水は洗浄中に数回、交換することが好ましい。

本実施形態において、巻き取られた中空糸膜は高圧熱水処理をすることが好ましい。具体的には、中空糸膜を完全に水に浸漬させた状態で、高圧蒸気滅菌機に入れ、１２０℃以上で２〜６時間処理するのが好ましい。詳細な機構は不明であるが、この高圧熱水処理により、中空糸膜中に微残存する溶媒及び非溶媒並びに膜に固着していない親水性高分子が完全に除去されるだけでなく、ポリスルホン系高分子と親水性高分子の存在状態が最適化され、本実施形態における多孔質中空糸濾過膜として好ましい構造が最適化されると考えられる。

本実施形態の多孔質中空糸濾過膜は、風乾、減圧乾燥、又は熱風乾燥等により乾燥することにより得られる。特に限定されないが、乾燥中に膜が収縮しないように、中空糸膜の両端が固定された状態で、乾燥することが好ましい。

以下、実施例により本実施形態を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。実施例における測定方法は以下のとおりである。

（１）内径及び膜厚の測定
多孔質中空糸濾過膜の内径は、膜の垂直割断面を実体顕微鏡で撮影することにより求めた。
内径と同様に外径を求め、（外径−内径）／２より膜厚を算出した。
また、膜面積として、内径×π×多孔質中空糸濾過膜の有効長とした。

（２）純水の透過速度の測定
１．０ｂａｒの定圧デッドエンド濾過による２５℃の純水の濾過量を測定し、濾過時間から透水量を測定して、純水の透過速度とした。

（３）免疫グロブリンの濾過試験
多孔質中空糸濾過膜の本数が４本、有効長が８ｃｍになるように組み立てられたフィルターを１２２℃で６０分高圧滅菌処理をした。献血ヴェノグロブリンＩＨ５％静注（２．５ｇ／５０ｍＬ）（田辺三菱製薬社製）を用いて、溶液の免疫グロブリン濃度が１．５質量％、塩化ナトリウム濃度が０．１Ｍ、ｐＨが４．５になるように溶液を調製した。調製した溶液をデッドエンドで、２．０ｂａｒの一定圧力で濾過を行った。濾過開始５分経過時の積算濾過量／５をＦ₅とし、（２）において測定した透水量より、Ｆ₅／Ｆ_wを算出した。

（４）ブタパルボウイルスクリアランスの測定
（３）免疫グロブリンの濾過試験において調製した溶液に０．５容量％のＰＰＶ溶液をｓｐｉｋｅした溶液を濾過溶液とした。（３）免疫グロブリンの濾過試験と同様にして濾過試験を行った。濾液のＴｉｔｅｒ（ＴＣＩＤ₅₀値）をウイルスアッセイにて測定した。ＰＰＶのウイルスクリアランスはＬＲＶ＝Ｌｏｇ（ＴＣＩＤ₅₀）／ｍＬ（濾過溶液）−Ｌｏｇ（ＴＣＩＤ₅₀）／ｍＬ（濾液）により算出した。

（５）緻密層の測定
中空糸膜断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、撮影倍率を５０，０００倍、中空糸断面の膜厚方向に対して水平に視野を設定して撮影した。設定した一視野での撮影後、膜厚方向に対して水平に撮影視野を移動し、次の視野を撮影した。この撮影操作を繰り返し、隙間なく膜断面の写真を撮影し、得られた写真を結合して一枚の膜断面写真を得た。この断面写真において、（膜の円周方向に２μｍ）×（外表面から内表面側に向かって１μｍ）の範囲における平均孔径を算出し、外表面から内表面側に向かって１μｍ毎に膜断面の傾斜構造を数値化した。平均孔径は、以下のようにして算出した。ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製Ｉｍａｇｅｐｒｏ−ｐｌｕｓを用いて、明度を基準に空孔部と実部を識別し、識別できなかった部分やノイズをフリーハンドツールで補正し、空孔部の輪郭となるエッジ部分や、空孔部の奥に観察される多孔構造は空孔部として識別して、空孔部と実部の二値化処理を行った。二値化処理の後、空孔／１個の面積値を真円と仮定し、空孔の直径を算出した。視野の端部で途切れた空孔部についてもカウントして、全ての孔毎に実施し、２μｍ×１μｍの範囲毎に平均孔径を算出した。平均孔径が５０ｎｍ以下の範囲を緻密層と定義し、平均孔径が５０ｎｍ超の範囲を粗大層と定義した。

（６）緻密層の厚み
緻密層の厚みは、「平均孔径５０ｎｍ以下を示した範囲の数×１μｍ」として測定した。

（７）膜中の親水性高分子の含有率及び外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比の測定
多孔質中空糸濾過膜を厚さ１０μｍで膜厚方向に切断した。切断した多孔質中空糸濾過膜断片を臭化カリウム板ではさみ、プレス機を用いて錠剤を成型した。錠剤としたものを顕微ＦＴ−ＩＲにより透過法で、５×５μｍを１セグメントとし、膜厚方向に連続的に測定した。測定したスペクトルよりポリスルホン系高分子由来のピークと親水性高分子由来のピークを検出し、親水性高分子由来のピークの吸光度面積／ポリスルホン系高分子由来のピークの吸光度面積比より、各分割したセグメントにおける親水性高分子の含有率として算出した。
各セグメントの親水性高分子の含有率の平均値を親水性高分子の膜中の含有率とした。
膜厚方向で最外表面側のセグメントの親水性高分子の含有率／親水性高分子の膜中の含有率を外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比として算出した。

（実施例１）
ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）２７質量部（ＢＡＳＦ社製Ｕｌｔｒａｓｏｎ（商品名）Ｅ６０２０Ｐ）、ビニルピロリドンと酢酸ビニルの共重合体（ＢＡＳＦ社製Ｌｕｖｉｓｋｏｌ（登録商標）ＶＡ６４、以下、「ＶＡ６４」と記載する）９質量部、ＮＭＰ（キシダ化学社製）３０．４質量部、及びＴｒｉＥＧ（関東化学社製）３３．６質量部を５０℃で混合した後、減圧脱泡を７回繰り返した溶液を製膜原液とした。二重管ノズルの環状部から紡口温度は５０℃に設定して、製膜原液を吐出し、中心部からＮＭＰ４５．１質量部、ＴｒｉＥＧ４９．９質量部、及び水５質量部の混合液を内液として吐出した。
吐出された製膜原液と内液は、空走部を経て、３０℃、ＮＭＰ２６．８質量部、ＴｒｉＥＧ２９．６質量部、水３７．６質量部、及びＶＡ６４６質量部からなる凝固液を走行させた。凝固浴から引き出された中空糸膜は、５５℃に設定された水洗槽をネルソンロール走行させた後、水中で巻き取った。紡糸速度は８ｍ／ｍｉｎとし、ドラフト比は２とした。巻き取られた中空糸膜は両端を切断し、束にし、弛まないように支持体に把持させ、８０℃の熱水に浸漬させ、６０分間洗浄した。洗浄された中空糸膜は１２８℃、６時間の条件で、高圧熱水処理された後、真空乾燥して、多孔質中空糸濾過膜を得た。

（実施例２）
凝固浴組成をＮＭＰ２７．４質量部、ＴｒｉＥＧ３０．２質量部、水３８．４質量部、及びＶＡ６４４質量部に変更した以外は実施例１と同様にして多孔質中空糸濾過膜を得た。

（実施例３）
凝固浴組成をＮＭＰ２８．０質量部、ＴｒｉＥＧ３０．８質量部、水３９．２質量部、及びＶＡ６４２質量部に変更した以外は実施例１と同様にして多孔質中空糸濾過膜を得た。

（実施例４）
凝固浴組成をＮＭＰ１８．６質量部、ＴｒｉＥＧ２０．６質量部、水５８．８質量部、及びＶＡ６４２質量部に変更した以外は実施例１と同様にして多孔質中空糸濾過膜を得た。

（実施例５）
凝固浴組成をＮＭＰ９．３質量部、ＴｒｉＥＧ１０．３質量部、水７８．４質量部、及びＶＡ６４２質量部に変更した以外は実施例１と同様にして多孔質中空糸濾過膜を得た。

（実施例６）
製膜原液組成をＰＥＳ２６質量部、ＶＡ６４１０質量部、ＮＭＰ３２質量部、及びＴｒｉＥＧ３２質量部に変更した以外は実施例５と同様にして多孔質中空糸濾過膜を得た。

（実施例７）
製膜原液組成をＰＥＳ２４質量部、ＶＡ６４１２質量部、ＮＭＰ３０．４質量部、及びＴｒｉＥＧ３３．６質量部にし、凝固液組成をＮＭＰ３７．３質量部、ＴｒｉＥＧ２９．９質量部、水２８．８質量部、及びＶＡ６４４質量部に変更した以外は実施例１と同様にして多孔質中空糸濾過膜を得た。

（実施例８）
製膜原液組成をＰＥＳ３０質量部、ＶＡ６４６質量部、ＮＭＰ３０．４質量部、及びＴｒｉＥＧ３３．６質量部にし、凝固液組成をＮＭＰ２４．８質量部、ＴｒｉＥＧ２７．４質量部、水４２．８質量部、及びＶＡ６４５質量部に変更した以外は実施例１と同様にして多孔質中空糸濾過膜を得た。

実施例１〜８で得られた多孔質中空糸濾過膜について、（１）〜（７）について測定した結果を表１に示す。
実施例１〜８で得られた多孔質中空糸濾過膜はいずれも、濾過中の細孔表面へのタンパク質の吸着を抑制し、タンパク質透過性に優れていた。

（比較例１）
凝固液組成をＮＭＰ２６．２質量部、ＴｒｉＥＧ２９．０質量部、水３６．８質量部、及びＶＡ６４８質量部に変更した以外は実施例１と同様に中空糸膜を得た。

比較例１で得られた中空糸膜について、（１）〜（７）について測定した結果を表１に示す。比較例１で得られた中空糸膜は、外表面の親水性高分子の含有率が高くなり、優れたタンパク質透過性を示さなかった。

（比較例２）
凝固液組成をＮＭＰ２８．５質量部、ＴｒｉＥＧ３１．５質量部、及び水４０．０質量部に変更した以外は実施例１と同様に中空糸膜を得た。

比較例２で得られた中空糸膜について、（１）〜（７）について測定した結果を表１に示す。比較例２で得られた中空糸膜は、緻密層においてタンパク質の吸着を抑制することができず、優れたタンパク質透過性を示さなかった。

（比較例３）
凝固液組成をＮＭＰ３０．９質量部、ＴｒｉＥＧ３４．２質量部、水２７．９質量部、及びＶＡ６４７質量部に変更した以外は実施例７と同様に中空糸膜を得た。

比較例３で得られた中空糸膜について、（１）〜（７）について測定した結果を表１に示す。比較例３で得られた中空糸膜は、親水性高分子の含有量が高くなり、緻密層の孔径が小さくなったため、優れたタンパク質透過性を示さなかった。

（比較例４）
凝固液組成をＮＭＰ２５．６質量部、ＴｒｉＥＧ２８．３質量部、水４４．１質量部、及びＶＡ６４２質量部に変更した以外は実施例８と同様に中空糸膜を得た。

比較例４で得られた中空糸膜について、（１）〜（７）について測定した結果を表１に示す。比較例４で得られた中空糸膜は、親水性高分子の含有量が低くなり、緻密層においてタンパク質の吸着を抑制することができず、優れたタンパク質透過性を示さなかった。

本願は、２０１５年１月１９日に日本国特許庁に出願された日本特許出願（特願２０１５−８０５８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明における多孔質中空糸濾過膜は、血漿分画製剤やバイオ医薬品の精製工程において産業上の利用可能性を有する。多孔質中空糸濾過膜は、タンパク質溶液に含まれるウイルスを除去し、タンパク質を回収するのに用いることができる。

Claims

ポリスルホン系高分子と親水性高分子を含み、細孔の平均孔径が外表面から内表面に向かって大きくなる傾斜型非対称構造を有し、膜中の親水性高分子の含有率が６．０〜１２．０質量％であり、外表面の親水性高分子の含有率と膜中の親水性高分子の含有率の比が１．２０〜１．６０である多孔質中空糸濾過膜。
純水の透過速度が６０〜２００Ｌ／（ｈｒ・ｍ²・ｂａｒ）である、請求項１に記載の多孔質中空糸濾過膜。
緻密層の厚みが２〜１０μｍである、請求項１または２に記載の多孔質中空糸濾過膜。
前記ポリスルホン系高分子が、ポリエーテルスルホンである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多孔質中空糸濾過膜。
前記親水性高分子が、ビニルピロリドンを含有する共重合体である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多孔質中空糸濾過膜。
タンパク質溶液に含まれるウイルスを除去し、タンパク質を回収するのに用いられる、請求項１〜５のいずれかに記載の多孔質中空糸濾過膜。