SE511394C2 - Felfrihetstestbara, torr-våt-reversibla ultrafiltreringsmembran samt metod för att testa dessa - Google Patents

Description

»mmm 511 394 2 1.) Lösningsmedelsförångning (torr metod); 2 ) Utbyte av lösningsmedel mot icke lösande medel (våt ; samt 3.) sänkning av lösningstemperaturen (termisk metod).

Två allmänna konstruktionsvarianter för asymmetriska UF- inversionsmembran med ytskikt i ett stycke är kända inom tekni- ken. Representativt för den första US-patentet nr 3 615 024, som är den ursprungliga och den variant av ultrafiltreringsmembran som man oftast träffar på, vilken i huvudsak består av ett dubbellager med ett tunt ytskikt, vilket uppvisar vad som har kallats slitsliknande sprickor, samt en tjock understruktur, som innehåller en hög koncentration fingerliknande hålighet eller makroporer. Makroporerna sträcker sig ofta från en yta till en andra även om det ibland kan vara begravda djupare inuti matri- sen. I idealfallet täcker ett helt ytskikt makroporerna men i praktiken innehåller ytskiktet ovanför makroporerna sprickor så att ytskiktets helhet därigenom bryts och gör att stora partik- lar kan passera igenom. Dessa membran levereras våta med en poruppstödjande fluid eftersom de inte klarar av att bli full- ständigt torra utan att allvarligt förlora sina filtreringsegen- skaper. Bakterietillväxthämmare, som måste tvättas bort från membranet innan det används, föreligger ofta i membran som levereras i vått tillstånd. Somliga tillverkare anger i sina kataloger att ett membran levereras "torrt", men dessa membran kan dock innehålla fuktmedel såsom glycerol som poruppstödjande fluid. Såsom med bakteritillväxthämmare måste fuktmedel avlägs- nas från membranet genom blötläggning, spolning eller genom någon annan metod som gör att membranet blir helt uttorkat.

Representativt för den andra allmänna typen av ultrafiltre- ringsmembran är de som erhålls enligt US-patenten nr 4 954 381 och 4 451 424, vilka avsiktligt framställer UF-membran med ytskikt i ett stycke och makroporfria matriser genom tillsats av vattenlösliga, viskositetshöjande polymertillsatser, såsom poly- vinylpyrrolidon (PVP) eller polyetylenglykol (PEG). Dessa mem- bran uppvisar ett ytskikt med en porstorleksfördelning som är alltför bred för att felfriheten skall kunna provas på grund av utläckningen av polymertillsatser under fällnings- och tvätt- ningsstegen liksom då de används i UF-processen. Dessa membran kan levereras "torra" (dvs att det inte finns någon fri vätska 511 394 3 närvarande), men de innehåller höga koncentrationer av kvarva- rande PVF eller PEG. Fuktmedel såsom glycerol, PVP, PEG och/el- ler vatten eller andra vätande fluider kan verka som mjukgörare för att minska sprödheten. Dessa material kan också verka såsom poruppstödjande fluider, vilket, leder till sprickbildning och andra skador i membranets ytskikt, om det avlägsnas.

Vidare ökar porstorleken med molekylvikten (MW) hos den extraherbara tillsatsen, vilket i sin tur har samband med bred- den hos porstorleksfördelningen hos dessa membran.

Fastän ultrafiltreringsmembran används i stor utsträckning erkänner man att de lider av allvarliga nackdelar. Exempelvis innehåller nästan samtliga ultrafiltrerings-diafiltreringsmem- bran ett fuktmedel såsom glycerol eller måste det hela tiden hållas i vått tillstånd, inklusive under transport, på grund av att membranets filtreringsegenskaper är ostabila till följd av närvaron av skador. När väl fuktmedlet eller någon annan stöd- jande vätska är avlägsnad och membranet torkats och återvätts, förändras egenskapen och membranets ytskikt får sprickor och membranet blir oanvändbart. Detta betyder att i praktiken måste samtliga ultrafiltrerings/diafiltreringsmembran transporteras med en stor mängd vätande vätska, vanligtvis vatten, vilket ökar transportkostnaderna, Vidare utgör kravet att membranet skall hållas i ett vått tillstånd också en väsentlig belastning för användarna, vilka måste försäkra sig om att membranet aldrig tillåts torka ut. Att membranen konstant måste hållas i vått tillstånd betyder även att det föreligger en risk för bakterie- tillväxt, vilket då erfordrar att en bakterietillväxthämmare eller liknande föreligger i det våta membranet. Olyckligtvis inför närvaron av en bakterietillväxthämmare även problemet med förorening av produktströmmen genom membranet ty när väl en gång ett dylikt medel föreligger är det svårt om inte omöjligt att avlägsna det.

När det gäller membran som innehåller ett fuktmedel, såsom glycerol, måste membranet lakas ur i flera olika vattenbad eller annat lösningsmedel för att så mycket som möjligt avlägsna det främmande materialet. När sedan väl porstrukturen uppstöds av lösníngsmedlet får provet aldrig tillåtas torka ut.

Ett annat påtagligt problem med samtliga för närvarande tillgängliga ultrafiltrerings/diafiltreringsmembran är närvaron 11 511 394 4 av påtagliga defekter i membranet. Sådana defekter innefattar makroporer, sprickor, kratrar och andra defekter och brister, vilka antingen tar sönder ytskiktet eller leder till fel hos membranet. Närvaron av sådana defekter betyder emellertid att, fastän ett visst membran kan vara klassat för en avskiljnings- kapacitet, som exempelvis anger att membranet har kapacitet att avskilja material med måttlig molekylvikt (mellan 1.000 och 500.000) från en vätska, en viss del av substansen tillåts passera genom membranet genom att defekterna finns där, vilket naturligtvis inte är önskvärt. Till och med relativt stora partiklar, såsom latexkulor vet man kan passera genom UF-mem- branskador.

Molekylviktavskiljning är ett uttryck för ett membrans kvarhållningsegenskaper i fråga om molekyler med kända storle- kar. Kvarhållning anges vanligen som den molekylviktsavskiljning vid vilken åtminstone 90% av sfäriska oladdade molekyler med samma molekylvikt kommer att hållas kvar av det porösa membranet medan mindre än cirka 50% av sådana molekyler med en klart lägre molekylvikt hålls kvar. Emellertid kan linjära molekyler med molekylvikter som är större än molekylviktsavskiljningen passera genom membranet på grund av att den verksamma diametern hos en linjär molekyl är mindre än den hos en sfärisk molekyl. Linjära molekyler kan komma fram till en membranpor "med änden före" och tråckla sig igenom poren. Detta kan inträffa om en lång linjär kedjemolekyl ligger i linje med de laminära flödeslinjerna hos den fluid som strömmar genom membranet. Ä andra sidan kan ladda- de molekyler, som är mindre än molekylviktsavskiljningen kanske inte passera genom membranet till följd av elektrostatiska växelverkningar med membranet. Hos ultrafiltreringsmembran sträcker sig molekylviktsavskiljningsgränserna från omkring 500 eller 1000 upp till omkring flera miljoner svarande mot porstor- lekar från 10 till 200Å.

Visserligen har ett begränsat antal ultrafiltreringsmembran i form av hålfibrer med angivna nominella molekylviktsavskilj- ningskapaciteter på från 1.000 upp till flera miljoner presente- ras på senare tid, vilka membran kan transporteras i torrt tillstånd, men ändå kommer sådana membran fortfarande att lida av det mycket väsentliga problemet med att de har defekter i sina strukturer, vilket gör att de endast får ett begränsat 511394 värde.

På grund av de breda och stora antalet tillämpningsområden för ultrafiltreringsmembran har stora ansträngningar lagts ned på att förbättra effektiviteten hos sådana membran men hittills med begränsad framgång. Många patent och artiklar har publice- rats angående tillverkning av ultrafiltreringsmembran, varvid några gör anspråk på att vara "defektfria" och några gör anspråk på att vara torkbara, men faktum kvarstår att inte något ultra- filtreringsmembran hittills har tillverkats som både är torkbart och fritt från defekter.

Nutida ultrafiltreringsmembran arbetar på statistisk grund, dvs eftersom endast en liten del av filtreringsvätskan passerar' genom defekter i membranet och eftersom endast en del av all den vätska som filtreras innehåller material som skall avlägsnas, är det sannolikt att endast en liten del av det material som skall avlägsnas kommer att passera igenom membranet. Om emellertid det material som filtreras exempelvis är en farmaceutisk förening och det material som skall avlägsnas är en bakterie och bakteri- er passerar genom membranet kommer den patient som blir sjuk av den förorenade produkten inte att bry sig särskilt mycket om sannolikheter. Återigen är problemet med ultrafiltreringsmembran som är gjorda enligt någon av metoderna enligt tidigare teknik att de inte kan torkas utan att det finns ett fuktmedel som understöder porstrukturen och/eller att de inte är fria från de olika defek- ter som beskrivits tidigare, vilket gör att de får ett begränsat värde.

Vidare, eftersom det vid många tillverkningsmetoder för membran inte är möjligt att med absolut säkerhet förutsäga egenskaperna eller kvaliteten hos den färdiga produkten, behövs det en metod för att testa felfriheten hos den färdiga membran- produkten. Olyckligtvis finns det för närvarande inte något användbart sätt för att testa felfriheten hos ett ultrafiltre- ringsmembran och med visshet finns det inte något snabbt sätt att göra det. Med avseende på mikrofiltreringsmembran och andra typer porösa filtermedia har tester kända som "bubbelpunkt" (ASTM F3l6-86) och KL-metoderna (US-A-4 340 479) använts i många år för att karaktärisera porositeten hos dylika strukturer. På grund av de extremt små porstorlekarna som man träffar på i . ..4.i\ n .Å n.. 511 394 6 ultrafiltreringsmembran kan emellertid varken KL eller "bubbel- punkt"-testet användas med framgång. Alltefter det att porstor- leken hos ett membran minskar ökar det erforderliga trycket för att genomföra ett "bubbelpunkt" eller KL-test. Vid ett ultra- filtreringsmembran skulle dylika testtryck brytas sönder eller på annat sätt skada membranet.

Allmänt vid ultrafiltreringsmembran föreligger det en av- sevärd svårighet i att direkt observera och mäta porerna och porstorlekarna som exempelvis med svepelektronmikroskop. Inom tekniken har det blivit vanligt att utnyttja de ovan omtalade molekylviktsavskiljningsvärdena som en indirekt teknik för att bestämma porstorlekarna. Som en allmän regel är porernas verk- samma diameter ungefär lika med kubikroten ur molekylvikten för den största i stort sett sfäriska, klotformade, laddningsfria molekylen, som kan passera genom membranet medan enligt över- enskommelse storleken hos den minsta dylika molekyl som hålls kvar i den erforderliga graden på 90% utgör molekylviktsavskilj- ningen. Dessa bestämningar är välkända för fackmännen. Det är emellertid klart att ett dylikt test endast ger approximeringar av den verkliga porositeten hos en viss ultrafiltreringsstruktur och att det vidare inte är ett test som snabbt kan användas.

Mätningen av molekylviktsavskiljningarna åtföljs även av besvär, såsom adsorption av testsubstansen på membranytorna följd av igensättning av provet under testet. Ett typiskt molekylvikt- avskiljningstest kan kräva timmar eller till och med dagar att fullborda. I stället för att karaktärisera membran i form av några standardtestparametrar såsom KL eller porstorlek, anges vanligtvis breda fält för molekylviktsavskiljningen i produkt- kataloger och den tekniska litteraturen.

Eftersom ett pålitligt och snabbt test för att bestämma felfrihetsmolekylviktsavskiljnings- och porstorleksgraden hos ultrafiltreringsmembran är ett absolut krav för en jämn och söker produktion av UF/DF-membranen, föreligger ett stort behov av ett sådant test.

För första gången åstadkoms enligt uppfinningen ultrafiltre- ringsmembran som kan torkas utan att förlora dylika ultrafiltre- ringsegenskaper. Dylika membran kan selektivt tillverkas till att få vilken speciell molekylviktsavskiljningsgrad som helst från omkring 1.000 Dalton till omkring 500.000 Dalton. Dessutom 394 7 511 kan membran med en klassad molekylviktsavskiljning på 520.000 ha förmågan att utesluta monodispersa, latexpartiklar med en diame- ter på 0,02 um med rejektionskoefficienter på >0,998. Membran med klassade molekylviktsavskiljningar på 5100.000 har förmågan att utesluta monodispersa latexpartiklar med en diameter på 40 nanometer med rejektionskoefficienter på >0,998. Membran med klassade molekylviktsavskiljningar på 5500.000 kan utesluta monodispersa latexpartiklar med en diameter på 0,01 um med rejektionskoefficienter på >0,998.

Membranen enligt föreliggande uppfinning kommer vanligtvis att få en porstorlek på från omkring 200 Å ner till omkring 10 Å. Membran av speciellt intresse kan bestå av polyetersulfon, polysulfon eller polyarylsulfon i modifierad eller omodifierad form. Det ingår även en metod för att filtrera en fluid, vilken innefattar att man bringar nämnda fluid att strömma genom ett dylikt filtreringsmembran. En dylik metod kan innefatta filtre- ring av fluider för att exempelvis avlägsna proteiner, då mem- branet har en molekylviktsavskiljning på från omkring 1.000 till omkring 30.000 Dalton. Filtrering av fluider för att selektivt avlägsna proteiner eller virus, t ex från blod eller blodserum, är också möjligt, då membranet har en molekylviktsavskiljning på omkring 500.000 Dalton.

En ny snabb och pålitlig metod för att bestämma molekylvikts- avskiljningen och porstorleksklassen hos UF/DF-membran har nu också upptäckts. Testet lämpar sig speciellt för ultrafiltre- rings- och/eller diafiltreringsmembran, även om det också kan användas för att testa mikrofiltreringsmembran. I enlighet med metoden, som kallas KUF-metoden, väts det membran som skall testas först omsorgsfullt med en vätande vätska, som har för- mågan att helt väta membranet; en förskjutningsvätska, som inte kan blanda sig med den vätska som används för att väta membra- net, bringas i kontakt med det vätta membranets uppströms sida.

Förskjutningsvätskan trycksätts sedan och trycket ökas förbi den punkt, där förskjutningsvätskan börjar att strömma genom mem- branet; och strömningshastigheten hos den vätska som passerar genom nämnda membran mäts som funktion av det pålagda trycket; varvid förskjutningsvätskan är i huvudsak olösbar i den vätande vätskan och gränsytspänningen mellan de båda vätskorna är om- kring 0,01 N/m (10,0 dyn/cm) eller mindre. Genom att gränsyt- 511 394 8 spänningen regleras till att vara mindre än 0,01 N/m (10 dyn/cm) kan fluidförskjutning uppnås vid mycket lägre tryck än vid liknande testmetoder, som normalt utförs med en vattenjluft- gränsyta (dvs KL eller bubbelpunktmätning).

Det är vidare väsentligt att gränsytspänningen mellan de två .vätskorna_förblir konstant under testförfarandet. En kurva på strömningshastigheten hos förskjutningsvätskan, per ytenhet hos membranet, genom membranet som en funktion av det pålagda tryck- et kan utföras och en rak linje kan dras genom den branta delen i den erhållna kurvan med användning av regressionsanalys, vilken kommer att skära horisontalaxeln för ett givet tryckvär- de, som sedan betraktas som KUF-värdet. Fig. 12 visar en ideal KUF-kurva, där KUF-värdet eller karaktäristiska trycket har bestämts. Den heldragna linjen motsvarar den kurva som erhålls då strömningshastigheten avsätts mot trycket och den streckade linjen motsvarar extrapoleringen av den branta delen hos kurvan mot tryckaxeln. KUF-värdet eller karaktäristiska trycket är avläst från kurvan i den punkt där den streckade linjen skär tryckaxeln och är ett mått på molekylviktsavskiljningen för membranet.

Membranen enligt föreliggande uppfinning kan karaktäriseras till att ha KUF-värden från omkring 3,4 ' 104 pascal (5 psi) till omkring 8,3 ' 105 pascal (120 psi), företrädesvis från omkring 6,9 ' 104 pascal (10 psi) till omkring 8,3 ' 105 pascal (120 psi), vilket bestämts med användning av vattenmättad 1- butanol, som vätande vätska och med 1-butanol mättat vatten som förskjutningsvätska. De oblandbara faserna är inbördes mättade för att garantera att gränsytspänningen mellan vätskorna inte förändras till följd av att en fas löser upp sig i den andra.

Andra faktorer, såsom temperaturen bör också förbli relativt konstanta under testförloppet för att man på så sätt skall undvika väsentliga förändringar i gränsytspänningen mellan de oblandbara vätskorna.

Ett förfarande för att tillverka ett ultrafiltreringsmembran anvisas även. Metoden innebär att man löser upp en polymerplast i en bärare, som både innehåller ett lösningsmedel för plasten och ett icke lösningsmedel för plasten, varvid plasten före- ligger i en mängd på från omkring 15 till omkring 20 vikt% och mängden icke lösningsmedel är på omkring 26-34 procent av 511 394 9 lösningen, att man snabbt blandar lösningen med höga skjuvkraf- ter för att minska eller eliminera förekomsten av gelpartiklar, att man filtrerar lösningen för att avlägsna eventuellt före- kommande gelpartiklar, avgasar lösningen för att avlägsna någon innesluten gas, gjuter eller spinner lösningen på ett bärorgan och bringar den erhållna gjutna eller spunna lösningen i kontakt med ett härdningsbad, som innehåller både ett lösningsmedel och ett icke lösningsmedel för plasten, varvid förhållandet mellan lösningsmedel och icke-lösningsmedel ligger på från omkring l,5:1 till omkring 2:1.

En allmän metod för att tillverka vilken ultrafiltrering- eller membranstruktur som helst anges även, där en startlösning innehållande en löst polymer, ett lösningsmedel för denna och valfritt ett icke lösningsmedel gjuts eller sprutas under en första uppsättning förfarandevillkor på eller, efter val i ett härdningsbad, som innehåller ett icke lösningsmedel för polyme- ren och valfritt ett lösningsmedel för denna till att bilda ett önskat membran, varvid en del av det membran som skall testas omsorgsfullt väts med en startvätande vätska, som kan helt väta membranet, en förskjutningsvätska, som är oblandbar med den vätande vätskan bringas i kontakt med det vätta membranets uppströmssida, pålägger ökande tryck på nämnda förskjutnings- vätska och mäter förskjutningsvätskeflödet som passerar genom nämnda membran som en funktion av det pålagda trycket, varvid förskjutningsvätskan är i huvudsak olösbar i den vätande vätskan och gränsytspänningen mellan den vätande vätskan och förskjut- ningsvätskan är omkring 0,01 N/m (10,0 dyn/cm) eller mindre och reglerar en eller flera av följande processvariabler: (1) sammansättningen hos startlösningen, (2) sammansättningen hos härdningsbadet, och (3) den hastighet med vilken gjutplasten blandas, (4) gjutlösningens temperatur eller spinntemperatur i motsva- righet till nämnda mätning.

KORT RIININGSBESKRIVNING Fig. 1 är ett schema på en apparat för att mäta KUF enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 2 är en kurva som visar överensstämmelsen mellan mole- kylviktsavskiljning och de inverterade KUF-värdena, som bestämts enligt föreliggande uppfinning.

H| w m . -..alm .,._...;...~u .nfm . 511394 Fig. 3 är en bild som visar KUF-kurvorna för exemplen 1-3 10 enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 är en bild som visar KUF-kurvorna för exemplen 4-6 enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 5 är en bild som visar KUF-kurvorna för exemplen 7-9 enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 6 är en bild som visar KUF-kurvorna för exemplen 10-12 enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 7 är en bild som visar KUF-kurvorna för flera kommer- siellt tillgängliga ultrafiltreringsmembran.

Fig. 8 är en kurva som visar förhållandet mellan koncentra- tionen av icke lösningsmedel i gjutbadet och erhållna KUF-värden hos membranen.

Fig. 9A och 9B är kurvor, som visar förhållandet mellan UV- absorption och monodispers latexkulekoncentration som den an- vänds för att bestämma uteslutningskoefficienten för ultrafilt- reringsmembran i enlighet med föreliggande uppfinning.

Fig. 10A och lOB är KUF-grafer för ett membran enligt före- liggande uppfinning, som jämför KUF-kurvans form före (fig. 10A) och efter (fig. 10B) en våt/torrcykel.

Fig. 11A och l1B är en uppsättning KUF-grafer för ett kommer- siellt tillgängligt UF-membran, som jämför formerna hos KUF- kurvan före (fig. 11A) och efter (fig. l1B) en våt/torrcykel.

Fig. 12 är en bild på en ideal KUF-kurva, som visar den metod efter vilken KUF-värdet eller karaktäristiska trycket bestäms.

DETALJBESKRINING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER MEMBRANEN OCH TILLVERKNINGSMETOD POLYMERER Genom att följa principerna enligt föreliggande uppfinning är det möjligt att tillverka ultrafiltrerings-/diafiltreringsmemb- ran med de ovannämnda egenskaperna innefattande avsaknad av större defekter, vilka går igenom membranets ytskikt. Olika typer av polymerer, såsom polyetersulfon, polysulfon, polyfenyl- sulfon och liknande kan användas i enlighet med föreliggande uppfinning. För korthetens skull skall uppfinningen beskrivas för aromatiska polysulfoner och polyestersulfoner, speciellt de senare, varvid det är underförstått att uppfinningen, som be- 511H394 11 skrivs för den tillämpningen har en vidare tillämpning för andra membranstrukturer.

Den aromatiska polysulfonplast, som skall användas för att bilda membranet innefattar aromatiska polysulfoner respektive aromatiska polyetersulfoner som består av kedjeenheter med de allmänna formlerna (I), (II) & (III).

(I) .\\ _ CH; í- CH,/- /'='\ °_/":\ _ Wí/”Tfix / få \\L_///_) -\__.\ Q ,_ ."_\ woefj-sæ »w \~ « o \\___// (II) =_ -g ,='\Q_r= (III) ¿”"ï;_F*¿;f°"\_¿'É'¿_>_% Några vanliga varumärkesskyddade, handelskvaliteter av polyaryleterpolymerer, som kan användas vid föreliggande upp- finning, visas med följande formler: f: ._ °”1/="= _ 0 *N- _ç0__\ J . \ ;*O“ .___/I \. \_ ~ J ' Udel (varumärke för Union Carbide) ( o_/==\ --0-4; '>_$ \ _ V f Ö Å 47-) Victrex (varumärke för I.C.I.) r _ :_ Q =- '{“°'_ __\ "'0°'\ -ä_\ _'_]” Radel (varumärke för Union Carbide) Andra lämpliga polyetersulfoner och deras framställning beskrivs i "Synthesis of Poly(arylene sulphones) by Polyconden- sation of Arylsulphonyl Chlorides under Friedel-Crafts Condi- tions" av Cudby, et al, Polymer, 6, 589 (1965), "Structures of ,. ,. ...m- .. ._.....'.a x, .mi ..| | 511394 12 the Poly(diphenylene ether sulphones) Obtained by Polysulphony- lation," av Cuby et al, Polymer, 9, 265 (1965), brittiskt paten- tet nr 1 016 245 och US patenten nr US,A, 4 008 203, US,A, 4 105 636 samt US,A, 4 108 837, vilka samtliga inbegrips i denna beskrivning genom hänvisning.

Dessa aromatiska polysulfon-, polyetersulfon-, och polyfenyl- sulfonplaster har vardera företrädesvis ett medelmolekylvikttal på 2o.ooo till 1oo.ooo allrahelst från omkring 3o.ooo till omkring 50.000.

GJUTLÖSNINGAR Lösningssystemet (vehikeln) för plasten, exempelvis polyeter- sulfon, innefattar åtminstone ett lösningsmedel och minst ett icke lösningsmedel. Exempel på lämpliga lösningsmedel innefattar DMF, DMAC, DMSO, NMP och formylpiperidin (FP). Föredragna icke- lösningsmedel är propionsyra, smörsyra och isobutansyra.

Den föredragna gjut- eller spinnlösningen skall innehålla från omkring 15 till omkring 20% plast, såsom polyetersulfon och helst från omkring 16 till omkring 19 och allrahelst omkring 17 eller 18. Förhållandet mellan lösningsmedel och icke-lösnings- medel är vidare företrädesvis från omkring 1,5 till omkring 2, helst från omkring 1,5 till omkring 1,9 och vanligtvis omkring 1,7. ' Det är vidare mycket betydelsefullt att gjutlösningen är fri från föroreningspartiklar, såsom gelpartiklar och att den är i huvudsak fri från lösta gaser. Lösningen bör sålunda blandas extremt väl såsom med en högskjuvblandare, filtreras, och av- gasas innan membranen gjuts. Avgasningen är väsentlig genom att om lösningen inte är korrekt avgasad blir resultatet ett membran med väsentliga defekter såsom kratrar.

MEMBRANGELNINGSBAD Ett gelningsbad används, vilket består av ett icke lösande medium, som innehåller icke-lösningsmedel och en väsentlig mängd lösningsmedel. Porstorleken ökar då koncentrationen lösnings- medel i membrangelningsbadet ökas. Sammansättningen hos memb- rangelningsbadet varierar med lösningsmedlets egenskaper. Van- ligtvis finns det omkring 10 till omkring 50% lösningsmedel i membrangelningsbadet, varvid resten utgörs av icke-lösnings- 511 394 13 medel, företrädesvis vatten tillsammans med det icke lösnings- medel som nu används i gjutplastlösningen, vanligtvis monokar- boxylsyror med 3 eller 4 kolatomer. För lösningsmedlen dimetyl- acetamid eller N-metylpyrrolidon är den föredragna lösnings- medelskoncentrationen på från omkring 20 till omkring 45 pro- cent. Organiska lösningsmedel är de tillsatser som vanligen föredras i membrangelningsbaden.

AQDRA GJUTPAQAMETRAR Innan membranen gjuts filtreras företrädesvis polymerlös- ningen. Filtrering av polymerlösningen innan gjutningen minskar väsentligt felaktigheter hos de gjutna filmerna. Lösningen kan sugfiltreras genom mikrofiber av glas, poröst rostfritt stål eller annat filtermaterial och sedan föras igenom en eller flera membran med porer vars diameter är omkring 5 mikrometer. För att få lösningen att passera genom de smâporiga membranen med accep- tabla strömningshastigheter är det vanligtvis nödvändigt att pålägga ett tryck. Storleken på det pålagda trycket kommer att bero av viskositeten hos lösningen och porstorleken hos mem- branet. Det krävs tillräckligt tryck för att tvinga lösningen genom membranen.

Det är väsentligt att avgasa lösningen, såsom angivits tidigare, och detta kan åstadkommas med användning av någon känd teknik.

Lösningen gjuts sedan som en tunn fluidfilm på och/eller i ett lämpligt (poröst eller icke poröst) substrat till att bilda ett jämntjockt membran på från omkring 25 till omkring 250 pm, företrädesvis från omkring 50 till omkring 150 um. Bland de porösa substrat, som kan användas för denna uppfinning finns olika non-woven och vävda tyger, som liknar eller är identiska med dem som används vid omvänd osmos och ultrafiltreringsin- dustrier. Förutom att membranen enligt denna uppfinning kan göras som släta ark kan de framställas i hålfiber- eller rörform med liknande egenskaper som de som beskrivits för plana ark.

Efter gelningen tvättas membranet rent från lösningsmedel med användning av vatten och torkas.

Temperaturen hos gjut- eller spinnlösningen regleras van- ligtvis in i ett område mellan omgivningstemperaturen och 85°C, företrädesvis mellan 30° till 65°C och temperaturen hos den .......Li.. ...ggn h. ..

Mw+~ 511 394 14 koagulerande vätskan regleras vanligtvis till omgivningstempera- turen.

QLMÄN Bgsmzïflmc _1¿v nmmRANEN Porstorlekarna hos membranen enligt föreliggande uppfinning ligger i fältet för att åstadkomma molekylviktsavskiljnings- värden från omkring 1000 till omkring 500.000 Dalton. Egenska- perna hos membranen kan bestämmas genom de speciella egenskaper- na hos det använda valda polymersystemet men med omsorgsfullt val och god processteknik är det möjligt att erhålla ultrafilt- reringsmembran med fysikaliska och kemiska egenskaper, som gör dem lämpliga att användas vid en mängd ultrafiltrerings- och diafiltreringsoperationer.

Ultrafiltreringsmembranen enligt föreliggande uppfinning är speciellt önskvärda att användas vid diafiltrering och ultra- filtrering i biologiska system.

Utan att begränsa bredden hos föreliggande uppfinning och utan att bindas av någon speciell teori förmodas det att snäv- heten i kornstorleksfördelning i membranen enligt föreliggande uppfinning är att hänföra till ett antal samverkande faktorer: 1.) frånvaron av extraherbara polymertillsatser; 2.) användning av lösningsmedelsbärare, som innehåller stora lösningsmedelsenheter; 3.) användning av lösningar med en låg toleransgrad mot icke- lösningsmedel; 4.) styrd kärnbildning hos lösningen genom omrörning med hög skjuvning, icke lösningsmedelstillsats och temperaturreglering; 5.) avlägsnande av gelklumpar från lösningen genom filtrering och högskjuvblandning; 6.) gelning av gjutlösningen i ett icke lösningsmedelsbad, vilket innehåller en avsevärd koncentration lösningsmedel; och 7.) förmågan att snabbt och noggrant mäta ultrafiltrerings- porstorleken och membranets felfrihet medelst KUF-metoden och vidta ändringar i processen i motsvarighet till dessa mätningar.

Ultrafiltreringsmembranen enligt föreliggande uppfinning är speciellt önskvärda för användning för molekylavskiljning vid diafiltrering och ultrafiltrering i biologiska system. Genom att följa principerna enligt föreliggande uppfinning är det möjligt att åstadkomma ultrafiltrerings-/diafiltreringsmembran som har 15 511 394 de ovan beskrivna egenskaperna. Membranen enligt föreliggande uppfinning kan även karaktäriseras genom deras nästan totala frihet från större defekter, såsom kratrar eller makroporer, som föreligger i form av fingerliknande insnitt, som sträcker sig från en yta på membranet till den andra. I vissa utföringsformer kan membranen även karaktäriseras genom att de i huvudsak består av två lager, ett tunt ytskikt med en smal porstorleksfördelning och en tjock svampliknande matris utan makroporer. Ett tredje (övergångs-) skikt med mellanliggande densitet kan också på- träffas mellan ytskiktet och underliggande skikt. om NïA KUF-METQDEN Fög BEsTÄMNIgg Såsom angivits ovan finns det för närvarande ingen metod för att snabbt testa felfriheten och molekylviktsavskiljningen hos ett ultrafiltreringsmembran. Det som behövs för ultrafiltre- ringsmembran är ett test som kan utföras lika snabbt och med samma pålitlighet som KL och bubbelpunktstestmetoderna då de används för mikrofiltreringsmembran. Bubbelpunktstestet för ett mikrofiltreringsmembran mäts genom att man omsorgsfullt och helt och hållet väter provet med en vätska och därefter trycksätter membranets uppströmssida med luft eller någon annan gasformig substans såsom kväve. Under bubbelpunktstestet iakttas visuellt provets nedströmssida då uppströmsgastrycket sakta höjs. Då trycket har stigit tillräckligt iakttar man en ström av bubblor, som tränger igenom membranet. Det tryck, vid vilket denna bub- belström börjar att komma är känd som startbubbelpunkten. Om uppströmslufttrycket ytterligare ökas börjar ytterligare områden hos filtret att uppvisa bubbelströmmar ända till dess att hela provet verkar skumma. Trycket vid vilket detta inträffar benämns "FAO" eller överalltskumningspunkten. Betydelsen hos dessa mätningar ligger i förhållandet mellan porstorleken hos filtret och bubbelpunktstrycket, som definieras genom Laplace-ekvatio- nen, AP=47/D där AP = tryckskillnaden över mediet y = ytspänningen hos den vätande fluiden D = diametern hos porernas kapillärer.

Fastän porerna hos ett filter kan ha cylindrisk form eller ej ger Laplace-ekvationen en teoretisk grund för bubbelpunktstes- in... |. -mn . 511394 16 ter. Det vill säga att luften eller gasen utövar en kraft mot porerna eller kapillärerna, vilka är fyllda med den vätande vätskan. Då trycket är tillräckligt stort pressas vätskan ut och luft strömmar fritt genom den en gång vätta poren hos filtret.

Luftströmmen observeras nedströms som en ström av bubblor. Som framgår genom Laplace-ekvationen att ju mindre pordiametern är desto högre tryck erfordras för att förflytta vätskan från poren. På samma sätt, ju högre ytspänningen är hos den vätande fluiden desto större tryck erfordras för att förflytta vätskan från poren.

Startbubbelpunktstrycket är det tryck, där bubbelströmmen först upptäcks och svarar sålunda mot öppningen hos de största porerna i membranet. Genom att öka det pålagda lufttrycket efter det att den första bubbelströmmen iakttagits får vätskan i gradvis mindre porer att förflyttas. Överalltskumningspunkten iakttas då trycket är tillräckligt högt för att förflytta väts- kan från såväl de större porerna som de mindre.

En förädling av bubbelpunktsmetoden beskrivs i US,A,4 340 479, som intas i denna beskrivning genom hänvisning och är känd som KL-mätning.

KL är en förkortning för "knäplatsen", en parameter för membranuppförande, som anger den uppskattade porstorleken hos mikrofiltreringsmembran.

Vid KL-metoden mäts luftströmningshastigheten genom det vätta provet nedströms med användning av en flödesmätare, i stället för att man helt enkelt observerar den punkt, vid vilken bubbel- strömmen börjar att strömma genom det vätta mediet. Detta medger att man kan erhålla kvantitativa mätningar på luftströmning kontra lufttryck. Formen på kurvan är en indikation på bredheten eller snävheten i porstorleksfördelningen och det tryck vid vilken kurvan har en inflektionspunkt inträffar (KL-värdet) är en funktion av membranets porstorleksklassning. Testet utförs genom att man väter membranet med vätska och därefter sakta ökar lufttrycket på provets uppströms sida. En stadig ökning i luft- flödet uppmäts nedströms det vätta provet då trycket ökas. Detta är att hänföra till det diffusiva flödet, som orsakas genom luftens löslighet i den vätande fluiden. Slutligen, då vätskan börjar att förflyttas från membranets porer ökar luftströmnings- hastigheten snabbt till följd av massflödesströmningen genom de 511 394 17 öppnade porerna. Genom att rita in luftströmning/lufttryck på Y- axeln i stället för bara luftströmningen döljs tryckberoendet hos luftens löslighet i den vätande fluiden. Då luft- eller gasflödet genom ett vätt membran ritas in mot ökande ansatt tryck är initialflödet rent diffusivt och luftflödet per enhet påfört tryck förblir nästan konstant till dess att en punkt nås, där en mycket liten ökning i tryck ger en mycket kraftig ström- ningsökning, så att kurvan blir nästan vertikal. Trycket, vid vilket detta inträffar anges som membranets KL. KL-kurvan före- faller sålunda plan upp till inflektionspunkten. Medier med likformiga porer kännetecknas av en skarp förändring i lutning till en i det närmaste vertikal bana för tryck ovanför KL-vär- det. ' ' Bubbelpunkts- och KL-vätskeförskjutningsteknikerna som beskrivits ovan, är användbara för att karaktärisera membran och andra filtermaterial med porstorlekar ned till omkring 0,05 um i diameter. Fastän KL-testet är ett utmärkt sätt att testa mikro- filtreringsmembran, fungerar ett dylikt test inte för ultrafilt- reringsmembran på grund av det höga tryck, som skulle erfordras för att förskjuta den vätande fluiden från ultraporerna i ultra- filtreringsmembranet, skulle pressa ihop och bryta sönder mem- branet. Sålunda finns det olyckligtvis nog för närvarande inte något bra sätt att testa felfriheten hos ett ultrafiltrerings- membran och med säkerhet finns det inte något snabbt sätt att göra det.

Mätningar av KL-typen kan utföras på membran med pordimensio- ner ner till omkring 0,05 um genom att man använder vätande vätskor med låg ytspänning, såsom etylalkohol med en vätske/ luftytspänning på omkring 0,024 N/m (24 dyn/cm). Ett studium av Laplace-ekvationen visar förskjutningstryckets beroende av ytspänningen (7). Då ytspänningen hos den vätande fluiden mins- kar också det erforderliga trycket för att förflytta fluid från en kapillär eller por. Emellertid är luft/vätske- och ång/- vätskeytspänningarna alltför höga för att kunna användas för traditionell bubbelpunkts- eller KL-testning av membran med mycket små porstorlekar. Fastän några fluoriderade kolväteflui- der har vätske/luftytspänningar mellan 0,012 och 0,018 N/m (12 och 8 dyn/cm) är en sådan nivå fortfarande alltför hög för att vara användbar. ..,.w......*a.m.l..k.__íl.. ä. h.. l. H W 511394 18 I samband med föreliggande uppfinning anvisas en metod för att känneteckna membran. Metoden innefattar att man omsorgsfullt väter det membran som skall testas med en vätande startvätska, som har förmågan att helt och hållet väta membranet, att man bringar en förskjutningsvätska i kontakt med det vätta membra-' nets ena sida, att man utsätter nämnda förskjutningsvätska för ett ökande tryck; och att man mäter strömningshastigheten hos den vätska som går igenom nämnda membran som en funktion av det pålagda trycket; varvid förskjutningsvätskan är i huvudsak olöslig vid den vätande vätskan och gränsytspänningen mellan den vätande vätskan och förskjutningsvätskan är omkring 0,010 N/m (10,0 dyn/cm) eller mindre. Detta medger att den höga ytspän- ningen i luft/vätskegränsskiktet som bildas under traditionella bubbelpunkts- eller KL-tester kan elimineras. I stället bildas en låg gränsytspänning i vätske/vätskegränsskiktet, vilket medger att testtrycken kan minskas med flera miljontals pascal (tusentals psi). Exempelvis kan det uppskattas att vattenvätta. ultrafiltreringsmembran skulle kräva traditionella KL-testtryck som, beroende på nominell molekylviktsavskiljning, kan vara högre än 35 ' 106 Pascal (5000 psi). Genom att använda KUF- testmetoden kan testtrycken sänkas till under omkring 0,8 ' 10 pascal (120 psi) beroende på valet av oblandbara fluider.

För att beskriva den nya KUÉ-testmetoden kommer "fluid A" att användas för att beskriva den vätska, med vilken membranet väts (också hänvisad till som den “vätande vätskan"). "Fluid B" (även hänvisad till som den "förskjutande vätskan") kommer att an- vändas för att beskriva den vätska som används för att förflytta 6 fluid A från membranets porer. Fluiderna A och B måste vara med varandra i huvudsak oblandbara vätskor.

Testet utförts genom att man väter ett membran med fluid A, som måste ha förmågan att helt och hållet väta membranet. Provet monteras därefter i en testjigg, där fluid B står i kontakt med uppströmssidan hos det med fluid A vätta membranet. Jiggens nedströmssida är via ett rörsystem förbunden med sidoarmen hos en filtreringsflaska eller annat lämpligt kärl som kan samla upp fluid, som trycks ut nedströms membranet (se fig. 1). Sidoarms- flaskan är igenpluggad med en enhålsplugg, i vilken en flödesmä- tare sätts in. Sålunda kommer en fluid som kommer in genom filtreringsflaskans sidoarm börja fylla flaskan och under för- 51 1 394 19 loppet släppa ut i flaskan inrymd luft genom flödesmätaren.

Detta arrangemang medger att fluidens B strömningshastighet kan mätas genom det av fluiden A vätta membranet med hjälp av den hastighet med vilken luft trängs ut från sidoarmsflaskan. Flui- dens B strömningshastighet skulle kunna mätas direkt som vätske- strömming men insättandet av en dylik mätteknik skulle onö- digtvis vara mera komplicerad.

Vid utförandet av KUF-testet påläggs tryck i den behållare, som innehåller fluid B, medan fluidströmning övervakas nedströms membranet med användning av flödesmätaren. Luft kommer bara att strömma ut genom flödesmätaren om vätska trycks ut nedströms membranet, Vätska kan enbart gå igenom provet om det tryck som påiäggs fluid B är tillräckligt högt för att förflytta fluid A från membranets porer. Det erforderliga trycket för att för- flytta fluid A från membranets porer är en funktion av pordiame- tern. Det uppmätta trycket, som erfordras för att åstadkomma fluidströmning genom membranet är sålunda beroende av porstorle- ken och således av ultrafiltreringsmembranets molekylvikts- avskiljning. Då det på fluid B pålagda trycket ökas upprättas flöde genom en växande fraktion av membranets mindre porer. Om membranets porstorleksfördelning är smal kommer en liten tryck- ökning medföra en kraftig ökning av fluids B strömming genom membranet. Detta visar sig som en inflektionspunkt i strömnings- hastighet kontra tryckkurvan. Vid tryck under inflektionspunkten är kurvan i grunden horisontell under förutsättning att mem- branet har porer med relativt likformig diameter. När väl tryck- et har ökat tillräckligt bortom inflektionspunkten ökar ström- ningshastigheten snabbt och för ett membran med en smal porstor- leksfördelning i kurvan nästan vertikalt. Ju snävare porstor- leksfördelningen är, desto brantare blir lutningen hos kurvans vertikalt liggande del.

Det tryck som erfordras för att förflytta fluid A från membranet beror på gränsytspänningen mellan de oblandbara flui- derna A & B liksom på membranets pordiameter. Genom att välja fluider A & B så att gränsytspänningen blir liten t ex 1-buta- nol/vattensystemet med en gränsytspänning på omkring 0,001 eller 0,002 N/m (1 eller 2 dyn/cm) kan testtrycken hållas relativt låga till och med för UF-membran med extremt små pordiametrar.

Slutligen genom att rita in trycket hos fluid B mot nedströms- ...nu u wl ,. 511594 20 flödet erhålls en kurva liknande en KL-kurva. Under testför- loppet mäts det luftflöde som släpps ut från flaskan med hjälp av en flödesmätare eller flödesgivare. Vilken lämplig metod för att mäta fluidflödet som helst kan emellertid användas.

Fluidsystem som innefattar par av oblandbara vätskor, där båda fluiderna är i kontakt med varandra och sålunda bildar en fasgräns mellan skikten är kända för att ha mycket låga gräns- ytspänningar. Gränsytspänningarna i detta fall mäts mellan vätskefaserna i gränsområdet mellan de båda oblandbara vätskor- na. Tabell 1 är en lista på gränsytspänningarna för några orga- niska vätskor, vilka bildar en fasgräns med vatten som det anges i boken Interfacial Phenomena, 2:a upplagan, av J.T. Davies, och E.K. Rideal (1963). I tabell 1 innefattas även lösligheten i vatten för olika föreningar som det anges i Chemical Rubber Handbook (CRC), 1970 års upplaga. 511394 21 Tabell 1 FÖRENING cRÄNsYTsPÄNNINc TEMPERATUR LösBARHET N/m'10'3 dyn/cm °C (g/100g H20) etyleter 10,7 20 7,5 n-oktanol 8,5 20 0,054 n-hexanol 6,8 25 20 0,6 anilin 5,85 20 n-pentanol 4,4 25 22 I 2,7 etylacetat 2,9 30 15 8,5 isobutanol 2,1 20 15 10,0 n-butanol 1,8 25 l,6 20 15 9,0 Visserligen anger tabell 1 endast organiska vätskor och vatten men den ovan beskrivna KUF-testmetoden kan utföras med användning av vilket par oblandbara vätskor som helst.

I enlighet med föregående metod kan den vätande vätskan utgöras av en enda vätskeförening, såsom n-oktylalkohol och förskjutningsvätskan kan också vara en enda förening, såsom vatten, som är i huvudsak olöslig i n-oktylalkoholen. Alterna- tivt kan den vätande vätskan utgöras av en jämviktsblandning, innefattande en första vätskeförening, såsom n-butylalkohol, som är mättad med en andra vätskeförening, såsom vatten. Den andra vätskeföreningen, som är mättad med den första, används sedan som förskjutningsvätska. Vilken utföringsform det än gäller är det väsentligt att gränsytspänningen mellan de två vätskorna 511 394 22 förblir relativt konstant medan testet utförs. Det är sålunda att rekommendera att faserna är stabila kompositioner, dvs att när faserna är i kontakt med varandra inträffar det inte något nettoflöde av fluid A genom gränsskiktet och inget nettoflöde av fluid B genom gränsskiktet. Sålunda föreligger inte någon vä- sentlig variation för förskjutningsvätskans löslighet i den vä- tande vätskan, vilket om det vore så, kunde påverka resultaten.

Det är vidare viktigt att gränsytespänningen mellan den vätande vätskan och förskjutningsvätskan inte är större än omkring 0,010 N/m (10,0 dyn/cm) företrädesvis inte större än omkring 0,02 N/m (2,0 dyn/cm) och allrahelst inte större än omkring 0,00l6 N/m (1,6 dyn/cm). I praktiken utförs KUF-testet vanligtvis med var och en av de oblandbara faserna mättad med en fluid med vilken den är i nära kontakt. Exempelvis anger tabell 1 lösbarheten för 1-butanol i vatten till 9,0 g per 100 g vatten vid 15°C. Eftersom något-av 1-butanolen kommer att lösa sig i vatten är företrädesvis vattenfasen mättad med n-butanol. På samma sätt med 1-butanolfasen är denna företrädesvis mättad med vatten. ömsesidigt mättade faser kan lätt uppnås genom att man skakar en blandning, som innehållit tillräckliga mängder av varje fluid A och B tillsammans i en behållare eller separata trattar. I det här beskrivna testerna och exemplen användes i vart fall den organiska fasen som fluid A för att väta membranet och fluid B var vattenfasen. Det är en uppenbar utvidgning av metoden att kasta om fluiderna, dvs väta membranet med vatten- fasen och trycksätta membranets uppströmssida med den organiska fasen.

Fig. 3-7 är ritningar som visar KUF-kurvan och det KUF- karaktäristiska trycket, som erhölls genom att man följer det nyss beskrivna testförfarandet. Det KUF-karaktäristiska trycket hos membranet erhålls genom att man extrapolerar en linje utmed testkurvans branta del ner till horisontalaxeln och avläser trycket varvid återigenom de tidigare nämnda figurerna visar metoden. Det KUF-karaktäristiska trycket är då ett mått på membranets molekylviktsavskiljning såsom det definieras i fig. 2, varvid de detaljer som avser bildningen av detta redogörs för i exempel 14.

Fördelen med att använda KUF-metoden är att ultrafiltrerings- membran och mikroporösa membran med nästan vilken porstorlek som 511394 23 helst, stor eller extremt liten snabbt kan karaktäriseras genom att man använder testtryck vanligen under omkring 0,8 ' 106 pascal (120 psig) och ofta under 0,7 ' 106 pascal (100 psig).

EXEMPEL Exempel 1 - 2 En blandning av N,N-dimetylacetamid (DMAC) och propionsyra (PA) i ett förhållande på mellan 1,5 till omkring 2,0 delar DMAC på en del PA användes för att lösa 17 vikt% fast polyetersulfon- plast (Ultrason E6010, BASF). Polyetersulfonplasten anordnades med DMAC/PA-lösningssystemet i en vattenkyld plastgryta och höll vid en konstant temperatur på 50°C medan blandningen ägde rum i åtminstone 16 timmar. Den erhållna lösningen tilläts svalna till rumstemperatur under vilken tid den filtrerades och sedan av- gasades i vakuum.

En mängd av plastlösningen, som var tillräcklig för att strykas ut till en film med grova måtten 0,13 mm tjock x 250 mm lång x 200 mm bred (5 mils x 10 inches x 8 inches) påfördes en glasplatta och en film drogs ut. Glasplattan som innehöll den dragna filmen sänktes sedan ned i ett härdbad, som innehöll en blandning av DMAC, PA och vatten. Härdbadets sammansättning var sådan att förhållandet mellan DMAC:PA var samma i badet som i gjutplastlösningen. Vattenkoncentrationen i härdbaden ändrades mellan 25 och 65 vikt% medan resten av badet bestod av DMAC och PA. Efter det att membranet hade härdat avlägsnades det från badet, tvättades med vatten och torkades i ugn vid en temperatur på 100°C i omkring 10 minuter. Tabell 2 visar en uppsättning gjutplaster och badkompositioner tillsammans med de KUF-karaktä- ristiska trycken och molekylviktsavskiljningar för membran som framställts med användning av det ovan beskrivna förfarandet.

Samtliga KUF-data, som framträder i detta dokument, erhölls vid omgivningens temperatur med användning av vattenmättad 1-butanol som vätande fluid och vatten mättat med 1-butanol som förskjut- ningsfluid. Fig. 3-5 är KUF-kurvorna som uppmätts för varje prov. Såsom framgår av KUF-kurvorna kan för en viss gjutplast- förening porstorleken hos membranet ändras genom att man ändrar vattenkoncentrationen i badet. Detta visas i fig. 8.

Genom att använda KUF-testmetoden visas det att membranen enligt föreliggande uppfinning, som de visas i exemplen 1-9, hade KUF-värden inom området från omkring 7 x 104 pascal 511 394 24 (10 psi) till omkring 70 x 104 pascal (100 psi).

Exempel 10 - 12 En utgångsplastlösning bereddes genom att polyetersulfonplast (Ultrason E6010, BASF Corporation) i en viktkoncentration på 25,85% i dimetylacetamid ("DMAC") vid en temperatur på 65°C.

Ugångsplastlösningen blandades sedan med kraftig skjuvning under användning av en blandare av typ PT45/80 Polytron® (Kinematica GmbH, Schweiz) som marknadsförs i USA av Brinkmann Instruments, Westbury, N.Y. 11590, för att bryta ner eventuella olösta poly- mergeler genom blandning i omkring 1 minut vid hög hastighet under vilken tid huvudplasttemperaturen steg till omkring 80°C.

En mängd av utgångsplastlösningen, 393,2 g, överfördes till en vattenkyld flaska. Plastttemperaturen reglerades i flaskan å till 65°C under vilken tid 171,6 g propionsyra tillsattes den 5 överförda plasten medan blandningen skedde med hjälp av en omrörare av propellertypen. Detta ledde till en gjutlösning som innehöll 18% polyetersulfonplast, 51,6% DMAC och 30,4% PA.

Den ovanstående lösningen blandades vid 65°C i omkring en halv timme med användning av omröraren av propellertypen. Gjut- lösningen tilläts därefter att svalna till 30°C under en tidrymd på 2 timmar medan den blandades långsamt. Gjutplastlösningen i avlägsnades från den'mantlade flaskan och blandades med poly- gl tronblandaren i omkring 40 sekunder under vilken tid temperatu- ren steg till 55°C. Lösningen filtrerades sedan genom ett Spm nylonmembran. Plasten tilläts svalna till rumstemperatur och avluftades sedan. Prov göts i härdbad, som innehåll 25, 45 och _, 65% vatten, varvid resten av badet bestod av DMAC och PA i ett förhållande på 1,7 viktdelar DMAC på 1 del PA. I tabell 3 sam- manfattas gjutvillkoren och fig. 6 är en graf på det erhållna KUF-kurvorna för membranen.

Genom att ändra på plastkoncentrationen i gjutlösningen i området mellan omkring 15 och 20 vikt% medan man bibehöll ett förhållande DMAC:PA på mellan 1,5 och 2 och med användning av KUF-testmetoden framgår det att membranen enligt föreliggande uppfinning hade KUF-värden från omkring 7 x 104 till 7 x 105 pascal (10 till 100 psi) när de testades med användning av vat- tenmättad 1-butanol som vätande fluid och vatten mättat med 1- butanol som förskjutningsvätska. En ändring av vattenkoncentra- tionen i 25 511 394 badet förändrar porstorleken hos membranet och sålunda membranets KUF-karaktäristiska tryck och molekylviktsavskiljning TABELL 2 UF-membrangjutningar Exempel 1 - 9 Gjullösnirxgsparunetrar Gjutbad Membnmpmmeuar Bmw! æPßs ænmc mm æuzo ewm in Km, Mwco Amnärkninev C (kPn) (psñ 1 17 S2 31 65 22 13 434 63 18K DMACzPA = 1,7:1 lösningsmedel 2 17 52 31 45 35 20 276 40 45l< íckeflösnhgsmwcbr "hade 3 17 52 31 25 41 za 152 22 loex Lömiflfl” flï°fd “id mmm?- 4 17 55 28 65 23 12 434 63 ISK DMAQPA = 1_92_-1 lösningsmedel 5 17 55 28 45 36 19 276 40 4SK icke-lf- , ' ' ”hållande 6 17 ß n zs w u ln n xwx bäflwwflwdfidwmwmn 7 17 S0 33 59 25 16 317 46 3ó1< DMACIPA = 1.51] lösningsmedel 8 17 50 33 45 33 22 255 37 51K ickeflösníragsmedelsförhàllnnde 9 17 50 33 25 45 30 159 23 IOOK Lösningen gjord vid rumslemp.

TABELL 3 UF-membrangjutningar Exempel 10 - 12 Gjullösningsparanxclmr Gjulbad Mcmbranparanxclrar EXEMPEL *Imis mmm: 'MA m-lzo ent-MAC esvn KUF Mwco Amfläñminzflf (kPa) (psí) 10 18 52 30 25 47 28 172 25 90K DMACzPA = 1,7:l lösningsmedel 11 18 52 30 45 35 20 296 43 4OK íßkfl-löSnírlgßmff-'Ifllßföfhill-IIIÅC Lösningen gjord vid rumstempc nun 12 18 52 30 65 22 13 441 64 18K 511 394 26 EXEMPEL 13 Kommersiellt tillgängliga ultrafiltreringsmembran, samtliga med molekylviktsavskiljningar vid eller under 10.000, jämfördes med ett membran enligt denna uppfinning med en molekylvikts- avskiljningskapacitet på 18.000. Förmågan hos de olika ultra- filtreringsmembranen att utestänga monodispersa latexsfärer med en diameter på 0,020 och 0,038 um jämfördes med användning av följande förfarande. Med förmågan att utestänga dylika partiklar förstås att ett dylikt utestängande mäts till kapacitetsgränser- na för föreliggande analyser, vilka är ungefär 4,5 x 109 parti- klar per ml för en latex med 0,038 um diameter och 4,5 x 1010 partiklar per ml för en 0,02 um latex. Om mera exakta mättekni- ker skulle användas och dessa skulle visa att fullständig ute- stängning inte uppnås förändrar detta faktum inte definitionen på utestängning, såsom den används i föreliggande uppfinning med vilken förstås totalt uteslutning till förfarandets kapacitets- gränser, såsom de definieras i detta exempel.

En Tween 20 ytaktiv lösning bereddes genom att 500 ml av- joniserat vatten värmdes upp till 60°C med tillsats av 0,5 ml Tween 20 ytaktivt medel med omrörning i 10 minuter. Lösningen kyldes och användes därefter som dispergermedium för monodisper- sa latexpartiklar. _ Monodispersa latexkulor på 0,02 um diameter dispergerades i den ytaktiva Tween 20-lösningen med en koncentration på 0,01% fast latex, vilket motsvarar en koncentration i antal på omkring 2,3 x 1013 partiklar per ml. Denna lösning bereddes genom att 0,5 ml 2% latex, från Duke Scientific, leverantören, till 99,5 ml av den ytaktiva Tween 20-lösningen under omrörning. En lik- nande 0,01% fast latexdispersion bereddes med användning av latexkulor med 0,038 um diameter, som tillverkas av Dow, och den ytaktiva Tween 20-lösningen. En 0,01% dispersion av den 0,038 um latexen motsvarar en koncentration i antal på 3,3 x 1012 parti- klar per ml dispersion.

Ultrafiltreringsmembran testades sedan i form av 25 mm skivor, vilka latexpartiklar skulle tränga igenom under filtre- ringstesterna på de 0,01% latexdispersionerna. Även en hålfiber- modul, som tillverkas av A/G Technology Corporation testades på det härefter beskrivna sättet.

För att göra i ordning de kommersiellt tillgängliga membranen 511 394 27 för testerna följdes tillverkarens instruktioner vad beträffar avlägsnandet av fuktmedel innan membranet användes. Det består i att provet dränktes i en tidrymd på omkring 1 timme i latexfri Tween 20-lösning, under vilken tid fluiden byttes 3 gånger. Det var inte nödvändigt att blötlägga membranen enligt denna upp- finning eller A/G-hålfibermodulen, eftersom de inte innehåller något fuktmedel. Membranen sättes därefter in i en 25 mm skiv- hållare och en 5 cm3 spruta fylldes med den 0,01% latexsuspen- sionen. Fluiden pressades genom filtret och samlades upp i glasampuller. När det gällde A/G hålfiberprovet testades modulen med den 0,01 % latexdispersionen med användning av det testför- farande som beskrivs av tillverkaren i produktdokumenten.

Koncentrationstalet för påträffade latexpartiklar i utflödena bestämdes genom mätning av UV-absorbansen vid en våglängd på 250 nm relativt en latexfri Tween 20-lösning. Latexkoncentrationen i utflödet bestämdes med hjälp av kalibreringskurvorna i fig. 9A och 9B, där absorbansen är inritad mot koncentrationstalet för latexpartiklar, dvs 0,02 um latexpartiklar i fig. 9A och 0,038 um latexpartiklar i fig. 9B.

Rejektionskoefficienter för latexpartiklar bestämdes med användning av följande formel: Rejektionskoefficient à 1 - [F/I], där F = koncentrationstalet för upptäckta latexpartiklar i utflödet I = ursprungliga koncentrationstalet för latexpartiklar som membranets uppströmssida utsattes för.

Latexuteslutningstest genomfördes även på prov som kördes vått/torrt innan de utsattes för latexpartiklarna. En våt/torr cykel bestod i att spola vatten genom membranet, torka provet, väta provet igen med etylakohol, på nytt spola vatten genom provet för att avlägsna alkoholen samt slutligen att torka det.

Detta upprepades 3 gånger för ett antal prov, såsom visas i tabell 4, varefter membranet utsattes för latexen på det sätt som tidigare beskrivits. Resultaten från latexutestängnings- testerna finns i tabell 4. 511 394 2 8 Twm4 lmzxuisättning Provtyp MWCO Anu! Panikel- Ingångs- Utflödc Rcjcktions- vitllorr- diameter Konc. Konc. Koeff. cykler (#111) anuVml antal/ml Amiwn 101< 0 0,02 2311013 13x10” 0,94 1>M1o Film» 101< o 0.02 23x10" 2211017 0,90 Omega Mmipon: 1o1< 0 0,02 2311013 men >039s PTGC 10 upptäckt Mimpom 101< 3 0.02 23x10” 2111013 0,09 mocw Munpm 101< z 0.038 33x10” 13x10” 0,01 nano Ao 1101101» s1< 0 0.02 23111013 831101* 0.90 Fm«uFn sc4 Pmmmbfm 1s1< 3 0.02 2311013 mgm > 0.991; i exempel upptäckt n De föregående resultaten visar klart att membranen enligt föreliggande uppfinning kan drivas i våt/torr-cykler och fort- farande behålla förmågan att utestänga 0,02 um partiklar. Inget av de kommersiellt tillgängliga ultrafiltreringsmembranen, inklusive Millipore-provet, som hänvisas till i exempel 13 ovan, kunde utestänga 0,02 um partiklar efter det att membranen hade drivit i våt/torr-cykler. I själva verket visade det sig att Millipore PTGC-10 membranet släppte igenom till och med 0,038pm partiklar efter våt/torr-cyklerna. De flesta av de i tabell 4 angivna proven saknar med undantag av Millipore PTGC 10 och membranen enligt föreliggande uppfinning förmågan att utestänga 0,02 um latexpartiklar även då de inte över huvud taget drivits i våt/torr-cykler.

EXEMPEL 14 Fig. 7 erhölls genom att uppmäta KUF-kurvorna för en mängd 511394 29 kommersiellt tillgängliga KUF-membran. De KUF-karaktäristiska trycken hos dessa prov bestämdes ur kurvorna i fig. 7 med an- vändning av den tidigare beskrivna metoden. Tabell 5 anger de på så sätt erhållna KUF-värdena med membranens nominella molekyl- viktsavskiljningar.

Tabell 5 KUF 1/KUF Nominell molekyl- Membrantyp (kPa) (psi) (kPa'1) (psi'1) viktsavskiljning (Dalton) 62 9,0 0,016 0,11 300.000 Amicon 300K 159 23,0 0,006 0,04 100.000 Filtron 100K 276 40,0 0,004 0,03 50.000 Amicon 50K 345 50,0 0,003 0,02 30.000 Filtron 30K 490 71,0 0,002 0,01 10.000 Filtron 10K Fig. 2 erhölls genom att data togs från tabell 5 och molekyl- viktsavskiljningen ritades in mot 1/KUF. Såsom kan ses från kurvan är resultatet'ett linjärt förhållande, som medger att molekylviktsavskiljningen kan bestämmas genom att man helt enkelt mäter membranets KUF-karaktäristiska tryck. KUF-testet svarar sålunda mot ett stort framsteg för att karaktärisera och testa felfriheten hos ultrafiltreringsmembran.

EXEMPEL 15 En KUF-kurva erhölls för ett prov, som framställts i öve- rensstämmelse med föreliggande uppfinning med användning av det i exempel 11 beskrivna förfarandet. Provet utsattes för en enda våt/torr-cykel med användning av den i exempel 13 beskrivna metoden för våt/torr-cykler. På liknande sätt KUF-testades ett Filtron Omega-membran med en nominell molekylviktsavskiljning på 100.000 före och efter en enda våt/torr-cykel. Fig. 10A-B och och 11A-B visar de erhållna KUF-kurvorna. En jämförelse mellan fig. 10A och 10B avslöjar att KUF-kurvan för det genom före- liggande uppfinning framställda membranet var i huvudsak 511 594 30 oförändrad efter en våt/torr-cykel. För Filtron Omega-membranet avslöjar en jämförelse mellan fig. 11A och 11B att efter endast en våt/torr-cykel hade formen hos kurvan förändrats. Inflek- tionspunkten, vilken bestämmer membranets molekylviktsavskilj- ning hade förflyttats mot lägre tryck. Detta bevisar att mem- branet efter våt/torr-cykeln hade förändrats till att tillåta större partiklar att passera nedströms. Om vi fortsätter att studera KUF-kurvorna i fig. 11A och 11B framgår det att vid testtryck under inflektionspunkten föreligger det en märkbar strömningshastighet genom membranet till och med före våt/torr- cykeln. Detta anger att det finns antingen defekter eller stora porer, som låter fluid strömma vid låga testtryck. Det faktum att kommersiellt tillgängliga UF-membran släpper igenom väsent- liga antal monodispersa latexpartiklar, vilka är mycket större än de proteinmolekyler som de gör anspråk på att hålla kvar är i överensstämmelse med KUFfkurvorna i fig. 11A och 1lB, vilka visar att en väsentlig strömningsmängd inträffar vid testtryck väl under inflektionspunkten på KUF-kurvan. Ä andra sidan har membranen som beskrivs i föreliggande uppfinning KUF-kurvor som är visat på extremt låga strömningshastigheter vid testtryck under inflektionspunkten. Ett studium av fig. 10A och l0B avslö- jar att vid ett KUF-testtryck på 7 x 104 pascal (10 psi) kan flödeshastigheten genom membranet knappt spåras när man använder vattenmättad 1-butanol som vätande fluid och vatten mättat med 1-butanol som förskjutningsfluid. l8K molekylvikt av fyllnings- membranen vid föreliggande uppfinning har även förmågan att hålla kvar 0,02 um latexpartiklar, såsom demonstreras i tabell 4, vilket anger att de har skarpa molekylviktsavskiljningar. Som en kontrast mot detta misslyckades praktiskt taget samtliga kommersiellt tillgängliga ultrafiltreringsmembran att hålla kvar latexpartiklar med diametrar på 0,020 och/eller 0,038um efter det att de hade genomgått tre stycken våt/torr-cykler och i de flesta fall även om de inte hade gått igenom någon våt/torr- cykel.

Claims (18)

511 394 31 PATENTKRAV:

1. Polymert ultrafiltreringsmembran, kännetecknat av att det är kapabelt att utesluta monodispersa latexpartiklar med en storlek på 0,04 um i diameter och med en rejektionskoefficient större än 0,998 efter att fullständigt ha torkats.

2. Membran enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda membran kan utesluta monodispersa latexpartiklar med en storlek på 0,02 um i diameter med en rejektionskoefficient större än 0,998 efter att fullständigt ha torkats.

3. Membran enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att nämnda membran har en molekylviktavskiljningskapacitet på 100,000 dalton eller mindre.

4. Membran enligt krav 3, kännetecknat av att nämnda membran har en molekylviktavskiljningskapacitet på 20,000 dalton eller mindre.

5. Membran enligt något av kraven 1-4, kännetecknat av att nämnda membran har en porstorlek, som sträcker sig från 10 ångström till 200 ångström.

6. Membran enligt något av kraven 1-5, vari nämnda membran har en KUF-strömningshastighet vid 70 kPa (10 psi) med använd- ning av 1-butanol mättad med vatten, som vätande vätska och vatten mättat med 1-butanol som förskjutningsvätska vid omgiv- ningens temperatur, under 9,0 cm3/s per m2 (50 cm3/min per kvadratfot) efter att åtminstone en gång använts i en våt/torr- cykel.

7. Membran enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att nämnda membran består polysulfon.

8. Membran enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att nämnda membran består av polyetersulfon.

9. Membran enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att nämnda membran består av polyfenylsulfon.

10. Membran enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att nämnda membran består av polyetersulfon blandat med från 1 till 50 procent av en kompatibel polymer.

11. Membran enligt något av kraven 1-10, kännetecknat av att nämnda membran har ett KUF från 35 kPa (5 psi) till 827 kPa (120 psi), vilket bestäms genom att använda vattenmättad 1-butanol som vätande vätska och vatten mättat med 1-butanol som förskjut- ningsvätska. .din M. . 'al 511 394 32

12. Membran enligt krav 11, kännetecknat av att nämnda membran har ett KUF-värde från 70 kPa (10 psi) till 827 kPa (120 psi), vilket bestäms genom att använda vattenmättad l-butanol som vätande vätska och vatten mättat med 1-butanol som förskjut- ningsvätska.

13. Förfarande för att filtrera en fluid, kännetecknat av att det innefattar att man får nämnda fluid att strömma genom ett membran enligt något av kraven 1-12.

14. Förfarande enligt krav 13, kännetecknat av att nämnda fluid innehåller proteiner och att filtreringen avlägsnar åt- minstone vissa av nämnda proteiner från nämnda fluid.

15. Förfarande enligt krav 13, kännetecknat av att nämnda fluid innehåller virus och att filtreringen avlägsnar åtminstone vissa av nämnda virus från nämnda fluid.

16. Förfarande enligt krav 13, kännetecknat av att nämnda fluid innefattar blod eller en blodkomponent.

17. Förfarande för att tillverka ett ultrafiltreringsmembran innefattande (a) att en polymerplast löses i en bärare, som innefattar både ett lösningsmedel för plasten och ett medel som inte löser plasten, kännetecknat av att plasten föreligger i en mängd från 15-20 viktprocent och att mängden icke lösande medel utgörs av från 26 till 34 viktprocent av lösningen, varvid förhållandet mellan lösningsmedel och icke lösande medel är från 1,5:1 till 2:1, (b) snabbt blanda lösningen för att reducera eller eliminera förekomsten av gelpartiklar, (c) filtrera lös- ningen för att avlägsna eventuella kvarvarande gelpartiklar, (d) avgasa lösningen för att avlägsna eventuell innesluten gas, (e) gjuta eller spinna lösningen på en bärare, samt (f) bringa den erhållna gjutna eller spunna lösningen i kontakt med ett härd- bad, som innefattar både ett lösningsmedel och ett icke lösande medel för plasten.

18. Förfarande för att framställa en mikroporös struktur eller ultrafiltreringsmembranstruktur, kännetecknat av att en lösning, innefattande ett polymert löst ämne, ett lösningsmedel för detta samt valfritt ett icke lösande medel, gjuts eller spinns med en uppsättning förfarandevillkor, valfritt på eller i ett härdbad, innehållande ett icke lösande medel för polymeren samt valfritt ett lösningsmedel för denna för att bilda ett önskat membran, kännetecknat av att förbättringen innefattar att 511 394 33 man gjuter ett provmembran, att man omsorgsfullt väter provmem- branet med en vätande vätska, som har förmågan att fullständigt väta membranet, att man bringar en förskjutningsvätska i kontakt' med det vätta membranets ena sida, att man anbringar ett ökande tryck mot nämnda förskjutningsvätska och mäter strömningshastig- heten hos den vätska, som går genom nämnda membran som en funk- tion av det anbringade trycket, att förskjutningsvätskan är väsentligen olöslig i den vätande vätskan och att gränsytespän- ningen mellan den vätande vätskan och förskjutningsvätskan är 0,010 N/m (10,0 dyn/cm), och att man ändrar en eller flera av följande processvariabler: (1) den polymera lösningens sammansättning, (2) härdbadets sammansättning, (3) den hastighet med vilken gjutplasten blandas, samt (4) gjuttemperaturen eller spinntemperaturen, som svar på nämnda mätning.