JP2024094012A - Ultrafiltration membrane and method for manufacturing ultrafiltration membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゼラチン溶液の濃縮に用いられる限外ろ過膜及び該限外ろ過膜の製造方法に関する。 The present invention relates to an ultrafiltration membrane used for concentrating gelatin solutions and a method for producing the ultrafiltration membrane.
発酵、医薬、食品飲料製造の分野においては、溶液から有用物を取り出す手段として乾燥が用いられる。また、乾燥の前に溶液を濃縮することで、乾燥にかかる時間およびエネルギーを削減することができる。例えば、特許文献1には、分画分子量(MWCO:Molecular Weight Cut Off)50kDa以下の限外ろ過膜を用いて、ゼラチン溶液を濃縮することが開示されている。また、特許文献2には、クロスフローろ過システムを用いてゼラチン溶液を濃縮することが開示されている。
In the fields of fermentation, medicine, and food and beverage manufacturing, drying is used as a means of extracting useful substances from solutions. In addition, concentrating the solution before drying can reduce the time and energy required for drying. For example,
ゼラチンなどの高分子は広い分子量分布を有しており、このように広い分子量分布を持つ物質を濃縮するための限外ろ過膜は、その分布の中の下限と一致する分画分子量を有することが理想的である。しかしながら、市販の限外ろ過膜の種類は限られているので、分子量分布の下限に一致する分画分子量を持つ限外ろ過膜を選択することは困難である。よって、通常は、分子量分布の下限よりも小さい分画分子量を持つ限外ろ過膜を用いる。 Polymers such as gelatin have a wide molecular weight distribution, and an ultrafiltration membrane for concentrating a substance with such a wide molecular weight distribution should ideally have a molecular weight cutoff that coincides with the lower limit of that distribution. However, because there are only a limited number of commercially available ultrafiltration membranes, it is difficult to select an ultrafiltration membrane with a molecular weight cutoff that coincides with the lower limit of the molecular weight distribution. Therefore, ultrafiltration membranes with a molecular weight cutoff smaller than the lower limit of the molecular weight distribution are usually used.
ところが、分離膜の透水性能と分画性能はトレードオフの関係にあるため、分離膜の分画分子量が小さいほど、透水性は低い。つまり、広い分子量分布を持つ物質を濃縮するには、溶液中に大きな分子量を持つ物質も含まれているにもかかわらず、透水性の低い膜を用いることになる。さらに、濃縮が進行するほど、膜の供給側(つまり濃縮側)の浸透圧が高くなるので、溶液が分離膜を透過しにくくなる。その結果、得られる濃度には限界があった。 However, there is a trade-off between the water permeability and fractionation performance of a separation membrane, so the smaller the molecular weight fraction of the separation membrane, the lower the water permeability. In other words, to concentrate a substance with a wide molecular weight distribution, a membrane with low water permeability is used, even though the solution also contains substances with large molecular weights. Furthermore, as the concentration progresses, the osmotic pressure on the supply side of the membrane (i.e. the concentrated side) increases, making it difficult for the solution to pass through the separation membrane. As a result, there is a limit to the concentration that can be obtained.
本発明は、高濃度の濃縮が可能な限外ろ過膜を提供することを目的とする。 The objective of the present invention is to provide an ultrafiltration membrane capable of concentrating a high concentration.
上述の課題に対して、発明者らは鋭意検討する中で、ゼラチンを含むゲル層と熱可塑性樹脂を含む支持層とを有する限外ろ過膜が、ゼラチン溶液に対する透水性能と阻止性能とを両立できることを見出し、本願の発明に至った。 In an effort to address the above-mentioned issues, the inventors have discovered through extensive research that an ultrafiltration membrane having a gel layer containing gelatin and a support layer containing a thermoplastic resin can achieve both water permeability and blocking performance for gelatin solutions, leading to the invention of the present application.
上記目的を達成するため、本発明は、以下のゲル層が被覆された限外ろ過膜とその製造方法を提供する。
[1]ゼラチンを含むゲル層と熱可塑性樹脂を含む支持層とを有する限外ろ過膜であって、純水透過係数が0.10m/h/bar以上、0.30m/h/bar以下である、限外ろ過膜。
[2]前記ゲル層の純水透過係数が0.14m/h/bar以上、0.38m/h/bar以下であり、前記支持層の重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rが40%以上、80%以下である、[1]に記載の限外ろ過膜。
[3]前記ゲル層の表面自由エネルギーΔGgelが50mJ/m2以上、90mJ/m2以下である、[1]または[2]に記載の限外ろ過膜。
[4]前記ゲル層のろ過比抵抗αが1×1013m/kg以上1×1014m/kg以下である、[1]~[3]のいずれか1つに記載の限外ろ過膜。
[5]前記支持層がフッ化ビニリデン樹脂を含む熱可塑性樹脂からなる、[1]~[4]のいずれか1つに記載の限外ろ過膜。
[6]前記ゲル層に接する前記支持層の表面において、単位表面積あたり表面孔数を、前記表面の孔径の平均値で除した値Xが30~100個/μm2/nmである、[1]~[5]のいずれか1つに記載の限外ろ過膜。
[7]前記ゲル層は前記支持層の一方の面に接するように配置され、前記支持層は、前記ゲル層が接する前記一方の面に、長径d1と短径d2とを有する開口部を備え、前記開口部の長径d1と短径d2との比d1/d2の平均値が1.1以上1.4以下であり、前記比d1/d2の標準偏差が0.3以下であり、前記短径の平均d2aveが5nm以上、15nm以下である、[1]~[6]のいずれか1つに記載の限外ろ過膜。
[8]前記支持層が中空糸膜である、[1]~[7]のいずれか1つに記載の限外ろ過膜。
[9]前記ゲル層に接する前記中空糸膜の面が外表面である、[8]に記載の限外ろ過膜。
[10][1]~[9]のいずれか1つに記載の限外ろ過膜の製造方法であって、前記支持層によって、重量平均分子量Mwが10,000以上、360,000以下を満たすゼラチンを含有するゼラチン溶液を、前記支持層の臨界圧力以上、臨界圧力の4倍以下の膜間差圧でろ過することで前記ゲル層を形成するゲル層形成工程を備える限外ろ過膜の製造方法。
[11]前記ゲル層形成工程において、原液の粘度μfとろ過液の粘度μpの比がμf/μp>1.5であるとき、原液の流速vfとろ過液の流速vpの流速比が0.02≦vp/vf≦0.3となるようにゼラチン溶液をクロスフローろ過する、[10]に記載の限外ろ過膜の製造方法。
[12]前記ゲル層形成工程において、前記原液の粘度μfが1.5mPa・s以上である、[11]に記載の限外ろ過膜の製造方法。
[13]前記ゲル層形成工程において、前記原液のゼラチン濃度が1wt%以上、10wt%以下である、[11]または[12]に記載の限外ろ過膜の製造方法。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following ultrafiltration membrane coated with a gel layer and a method for producing the same.
[1] An ultrafiltration membrane having a gel layer containing gelatin and a support layer containing a thermoplastic resin, the ultrafiltration membrane having a pure water permeability coefficient of 0.10 m/h/bar or more and 0.30 m/h/bar or less.
[2] The ultrafiltration membrane according to [1], wherein the pure water permeability coefficient of the gel layer is 0.14 m/h/bar or more and 0.38 m/h/bar or less, and the rejection rate R of dextran having a weight average molecular weight of 40,000 of the support layer is 40% or more and 80% or less.
[3] The ultrafiltration membrane according to [1] or [2], wherein the surface free energy ΔGgel of the gel layer is 50 mJ/ m2 or more and 90 mJ/ m2 or less.
[4] The ultrafiltration membrane according to any one of [1] to [3], wherein the filtration resistivity α of the gel layer is 1×10 13 m/kg or more and 1×10 14 m/kg or less.
[5] The ultrafiltration membrane according to any one of [1] to [4], wherein the support layer is made of a thermoplastic resin containing a vinylidene fluoride resin.
[6] The ultrafiltration membrane according to any one of [1] to [5], wherein the value X obtained by dividing the number of surface pores per unit surface area by the average pore size of the surface on the surface of the support layer in contact with the gel layer is 30 to 100 pores/μm 2 /nm.
[7] The gel layer is arranged so as to contact one surface of the support layer, and the support layer has openings having a major axis d1 and a minor axis d2 on the one surface with which the gel layer contacts, and the average value of the ratio d1 / d2 of the major axis d1 to the minor axis d2 of the openings is 1.1 to 1.4, the standard deviation of the ratio d1 / d2 is 0.3 or less, and the average d2ave of the minor axes is 5 nm to 15 nm. The ultrafiltration membrane according to any one of [1] to [6].
[8] The ultrafiltration membrane according to any one of [1] to [7], wherein the support layer is a hollow fiber membrane.
[9] The ultrafiltration membrane according to [8], wherein the surface of the hollow fiber membrane in contact with the gel layer is the outer surface.
[10] A method for producing an ultrafiltration membrane according to any one of [1] to [9], comprising a gel layer formation step of filtering a gelatin solution containing gelatin having a weight average molecular weight Mw of 10,000 or more and 360,000 or less through the support layer at a transmembrane pressure difference of at least the critical pressure of the support layer and not more than 4 times the critical pressure, to form the gel layer.
[11] The method for producing an ultrafiltration membrane according to [10], wherein in the gel layer formation step, when the ratio of the viscosity μf of the stock solution to the viscosity μp of the filtrate is μf/μp>1.5, the gelatin solution is subjected to cross-flow filtration such that the flow rate ratio of the flow rate vf of the stock solution to the flow rate vp of the filtrate is 0.02≦vp/vf≦0.3.
[12] The method for producing an ultrafiltration membrane according to [11], wherein in the gel layer formation step, the viscosity μf of the stock solution is 1.5 mPa·s or more.
[13] The method for producing an ultrafiltration membrane according to [11] or [12], wherein in the gel layer formation step, the gelatin concentration of the raw solution is 1 wt % or more and 10 wt % or less.
本発明の限外ろ過膜は、支持層およびゼラチンを含むゲル層を有することで、ゼラチンを阻止しつつ、ゼラチン溶液を高濃縮可能な透水性を有する限外ろ過膜を提供できる。 The ultrafiltration membrane of the present invention has a support layer and a gel layer containing gelatin, and thus provides an ultrafiltration membrane with water permeability that can highly concentrate a gelatin solution while blocking gelatin.
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these.
<限外ろ過膜>
本実施形態における限外ろ過膜は、支持層と、支持層に被覆されたゲル層とを有し、かつ0.10m/h/bar以上0.30m/h/bar以下の純水透過係数を有する。
限外ろ過膜とは溶解性高分子に対して一定の阻止性能を有する膜であり、種々の定義があるが、本発明の限外ろ過膜においては、分画分子量(Molecular Weight Cut-Off:MWCO)は1,000以上であり、孔径は0.1μm未満であることが好ましい。
<Ultrafiltration membrane>
The ultrafiltration membrane in this embodiment has a support layer and a gel layer covering the support layer, and has a pure water permeability coefficient of 0.10 m/h/bar or more and 0.30 m/h/bar or less.
An ultrafiltration membrane is a membrane that has a certain blocking ability against soluble polymers, and there are various definitions for it. In the ultrafiltration membrane of the present invention, it is preferable that the molecular weight cut-off (MWCO) is 1,000 or more and the pore size is less than 0.1 μm.
<ゲル層>
ゲル層とは、支持層表面を被覆するように形成されたゼラチンを含むゲルの層である。ゲル層は、透水性を有すると共に、懸濁物質からなるケーク層またはダイナミック層と異なり、溶解性高分子に対しても一定の阻止性能を有する。後述のとおり、ある程度高い透過性を有する支持層上にゲル層が形成されていることで、ゼラチンの高濃度濃縮に求められる透水性と阻止率とを両立することができる。また、ゲル層にゼラチンが含まれることでゼラチン溶液の濃縮工程において、膜面にゼラチンが堆積することが抑制される。
<Gel layer>
The gel layer is a gel layer containing gelatin formed to cover the surface of the support layer. The gel layer has water permeability and, unlike the cake layer or dynamic layer made of suspended matter, has a certain degree of blocking ability against soluble polymers. As described below, by forming a gel layer on a support layer having a relatively high degree of permeability, it is possible to achieve both water permeability and blocking rate required for high concentration of gelatin. In addition, by including gelatin in the gel layer, accumulation of gelatin on the membrane surface is suppressed during the process of concentrating the gelatin solution.
ゲル層は純水透過係数が0.14m/h/bar以上0.38m/h/bar以下であることが好ましい。より好ましくは0.15m/h/bar以上0.32m/h/bar以下である。純水透過係数が0.14m/h/bar以上であることで、十分なゼラチン溶液のろ過フラックスとなる。また、0.38m/h/bar以下であることでゼラチンゲルが緻密な構造を形成しており、十分なゼラチン阻止性能が得られる。 The gel layer preferably has a pure water permeability coefficient of 0.14 m/h/bar or more and 0.38 m/h/bar or less. More preferably, it is 0.15 m/h/bar or more and 0.32 m/h/bar or less. A pure water permeability coefficient of 0.14 m/h/bar or more provides a sufficient filtration flux of the gelatin solution. Also, a pure water permeability coefficient of 0.38 m/h/bar or less allows the gelatin gel to form a dense structure, resulting in sufficient gelatin blocking performance.
支持層に被覆されたゲル層の重量は支持層の単位膜面積当たり4.8g/m2以上48g/m2以下であることが好ましい。4.8g/m2以上であれば、支持層の露出を抑制するのに好適な量(すなわち厚み)のゲル層が支持層上に存在する。48g/m2以下であることで、膜の間隔、すなわち被処理液が通る流路幅を確保することができる。 The weight of the gel layer coated on the support layer is preferably 4.8 g/ m2 or more and 48 g/ m2 or less per unit membrane area of the support layer. If it is 4.8 g/ m2 or more, a suitable amount (i.e., thickness) of the gel layer is present on the support layer to suppress exposure of the support layer. If it is 48 g/ m2 or less, the interval between the membranes, i.e., the width of the flow path through which the treated liquid passes, can be secured.
前記ゲル層重量の測定方法としては、ゲル層に含まれるゼラチンを薬液で分解し、さらに洗浄することで膜から除去し、除去前後の重量変化を測定すればよい。ゼラチンを除去するための薬液は、タンパク質を変性させるか、または分解する成分を含んでいて、かつ支持層を分解しないものであればよい。支持層がフッ化ビニリデン樹脂である場合は、薬液は、pH12.0遊離塩素濃度500ppmを超えない範囲で調製された次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの水溶液が好ましい。 The weight of the gel layer can be measured by decomposing the gelatin contained in the gel layer with a chemical solution, removing it from the membrane by washing, and measuring the change in weight before and after removal. The chemical solution for removing gelatin may be any solution that contains a component that denatures or decomposes protein and does not decompose the support layer. When the support layer is made of polyvinylidene fluoride resin, the chemical solution is preferably an aqueous solution of sodium hypochlorite and sodium hydroxide prepared to a pH of 12.0 and a free chlorine concentration not exceeding 500 ppm.
ゼラチンを含むゲル層の存在を確認するためには、タンパク質抽出液に支持層ごと浸漬させ、得られたタンパク質溶液についてポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)を行って主要バンドを同定し、得られた主要バンドを切りだして液体クロマトグラフ質量分析法(LC/MS/MS)によりタンパク質解析を行えばよい。 To confirm the presence of a gel layer containing gelatin, the support layer is immersed in a protein extract, and the resulting protein solution is subjected to polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) to identify the major bands, which are then excised and subjected to protein analysis using liquid chromatography/mass spectrometry (LC/MS/MS).
ゲル層の表面自由エネルギーΔGgelが50mJ/m2以上90mJ/m2以下であることが好ましい。ΔGgelが前記範囲にあることで、ゲル層表面がゼラチン溶液に良く濡れるため、ゼラチン溶液との接触によりゲル層へ吸着する溶質量を低減することができる。
当該ゼラチンゲルは可逆ゲルでも不可逆ゲルでもよいが、はく離したゲルは被処理液とともに濃縮液として回収されるため、被処理液へ再溶解容易な可逆ゲルであることが好ましい。
The surface free energy ΔGgel of the gel layer is preferably 50 mJ/m 2 or more and 90 mJ/m 2 or less. When ΔGgel is in the above range, the surface of the gel layer is well wetted with the gelatin solution, so that the amount of solute adsorbed to the gel layer by contact with the gelatin solution can be reduced.
The gelatin gel may be a reversible gel or an irreversible gel, but since the exfoliated gel is recovered as a concentrated liquid together with the liquid to be treated, it is preferable that the gel be a reversible gel that is easily redissolved in the liquid to be treated.
ケークとは、スラリーをろ過したときにろ材面上に捕捉されて堆積する粒子の層であり、ケークろ過とは、ケークがろ材として作用するろ過である。ゲル層は厳密にはケークとは異なり、溶解性高分子に対しても一定の阻止性能を有するものの、ケークろ過理論を適用することで、ゲル層のろ過比抵抗を下記式(1)により算出することができる。 A cake is a layer of particles that are captured and deposited on the surface of a filter medium when a slurry is filtered, and cake filtration is a method of filtration in which the cake acts as a filter medium. Strictly speaking, the gel layer is different from the cake and has a certain degree of blocking ability against soluble polymers, but by applying the cake filtration theory, the filtration resistance of the gel layer can be calculated using the following formula (1).
ただし、式(1)において、Wはゲル層中の固体量(kg)、Aはろ過面積(m2)、μは透過液の粘度(Pa・sec)、ΔPはゲル層に対するろ過圧(Pa)、uはろ過フラックス(m/sec)である。 In the formula (1), W is the amount of solids in the gel layer (kg), A is the filtration area (m 2 ), μ is the viscosity of the permeated liquid (Pa·sec), ΔP is the filtration pressure against the gel layer (Pa), and u is the filtration flux (m/sec).
ゲル層のろ過比抵抗αは1×1013m/kg以上1×1014m/kg以下であることが好ましい。より好ましくは2×1013m/kg以上9×1013m/kg以下、さらに好ましくは3×1013m/kg以上7×1013m/kg以下である。 The filtration resistance α of the gel layer is preferably 1×10 13 m/kg or more and 1×10 14 m/kg or less, more preferably 2×10 13 m/kg or more and 9×10 13 m/kg or less, and even more preferably 3×10 13 m/kg or more and 7×10 13 m/kg or less.
ろ過抵抗αは、ゲル層が強く圧縮されているほど、大きくなる。ろ過比抵抗αが1×1013m/kg以上であるということは、ゲル層が適度に圧縮されることで、膜の間隔、すなわち被処理液が通る流路幅を確保することができる。一方、ろ過比抵抗αが1×1014m/kg以下であることで、支持層の露出を抑制するのに好適なゲル層の厚みと、ゼラチンの濃縮に好適な透水性を実現することができる。 The filtration resistance α increases as the gel layer is compressed more strongly. When the filtration resistivity α is 1×10 13 m/kg or more, the gel layer is appropriately compressed, so that the membrane spacing, i.e., the flow path width through which the treated liquid passes, can be secured. On the other hand, when the filtration resistivity α is 1×10 14 m/kg or less, a gel layer thickness suitable for suppressing exposure of the support layer and a water permeability suitable for concentrating gelatin can be realized.
<支持層>
支持層は熱可塑性樹脂を含有する。熱可塑性樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、ポリヒドロキシ酢酸、ポリカプロラクトン、ポリエチレンアジペート等のポリエステル、ポリウレタン、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ポリビニルアセタール、ポリアミド、ポリスチレン、ポリスルホン、セルロース誘導体、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート等のポリマーが挙げられる。支持層は、これらのうちの1種類のポリマー、2種以上のポリマーを含むポリマーアロイもしくはブレンド物、または上記ポリマーを形成するモノマーの共重合体を含むことができる。
<Support base>
The support layer contains a thermoplastic resin. Examples of the thermoplastic resin include polyesters such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polylactic acid, polyhydroxyacetic acid, polycaprolactone, and polyethylene adipate, and polymers such as polyurethane, poly(meth)acrylic acid esters, polyvinyl acetal, polyamide, polystyrene, polysulfone, cellulose derivatives, polyphenylene ether, and polycarbonate. The support layer can include one of these polymers, a polymer alloy or blend containing two or more polymers, or a copolymer of monomers that form the above polymers.
この中でも、耐熱性、耐薬品性等に優れた樹脂成分として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、もしくは、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン等のスルホン系樹脂が挙げられる。この中でも特に、溶媒との相溶性が高く、均一な製造原液を容易に作製できる、フッ化ビニリデン樹脂が好ましい。フッ化ビニリデン樹脂とは、フッ化ビニリデンホモポリマーおよびフッ化ビニリデン共重合体のうちの少なくとも1つを含有する樹脂を意味する。フッ化ビニリデン樹脂は、複数の種類のフッ化ビニリデン共重合体を含有してもよい。 Among these, resin components with excellent heat resistance, chemical resistance, etc. include fluorine-based resins such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride, and sulfone-based resins such as polysulfone and polyethersulfone. Among these, vinylidene fluoride resin is particularly preferred because it has high compatibility with solvents and can easily produce a uniform manufacturing solution. Vinylidene fluoride resin means a resin containing at least one of vinylidene fluoride homopolymer and vinylidene fluoride copolymer. Vinylidene fluoride resin may contain multiple types of vinylidene fluoride copolymer.
フッ化ビニリデン共重合体は、フッ化ビニリデン残基構造を有するポリマーであり、典型的にはフッ化ビニリデンモノマーとそれ以外のフッ素系モノマー等との共重合体である。このような共重合体としては、例えば、フッ化ビニル、四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン、三フッ化塩化エチレンから選ばれた1種類以上のモノマーとフッ化ビニリデンとの共重合体が挙げられる。 A vinylidene fluoride copolymer is a polymer having a vinylidene fluoride residue structure, and is typically a copolymer of vinylidene fluoride monomer and other fluorine-based monomers. Examples of such copolymers include copolymers of vinylidene fluoride and one or more monomers selected from vinyl fluoride, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and trifluorochloroethylene.
ゲル層と接する支持層の表面について、単位表面積あたり表面孔数を、表面孔径の平均値で除した値Xが30個/μm2/nm以上100個/μm2/nm以下であることが好ましい。30個/μm2/nm以上であることで、ろ過原液中のゼラチンやその他粗大な汚れ成分が支持層内に侵入することを防ぐことができる。また、100個/μm2/nm以下であることで、ろ過原液が支持層を透過する流路の数を十分に確保できる。 For the surface of the support layer in contact with the gel layer, the value X obtained by dividing the number of surface pores per unit surface area by the average surface pore size is preferably 30/μm 2 /nm or more and 100/μm 2 /nm or less. By being 30/μm 2 /nm or more, it is possible to prevent gelatin and other coarse contaminants in the filtrate from penetrating into the support layer. In addition, by being 100/μm 2 /nm or less, it is possible to ensure a sufficient number of flow paths through which the filtrate passes through the support layer.
ここで、表面孔数とは、支持層の表面を観察したときに面内に在る孔の数である。支持層の表面孔の数を求める場合には、支持層の表面をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察し得た画像を、フリーソフト「ImageJ」を使って二値化する。二値化する際は、Subtract Backgroundにて1pixelとしてCreate Backgroundした後、Threshold(二値化の閾値)で条件:RenyiEntropyを選択する。得られた二値化画像において、Analyze Particlesで観察した範囲における孔の数を求める。単位面積あたりの表面孔の数[個/μm2]を求める場合には、千個以上の孔を観察し、その孔の数を観察した領域の全面積で除して求める。 Here, the number of surface pores is the number of pores present in the surface of the support layer when the surface is observed. When the number of surface pores of the support layer is obtained, the image obtained by observing the surface of the support layer with a SEM (scanning electron microscope) is binarized using the free software "ImageJ". When binarizing, after setting 1 pixel in Subtract Background and creating Background, the condition: RenyiEntropy is selected in Threshold (binarization threshold). In the obtained binarized image, the number of pores in the range observed with Analyze Particles is obtained. When the number of surface pores per unit area [pieces/μm 2 ] is obtained, 1,000 or more pores are observed and the number of pores is divided by the total area of the observed region to obtain the number of pores.
また、表面孔径とは、支持層の表面を観察したときに面内に在る孔の径である。支持層の表面孔径を求める場合には、支持層の表面をSEMで観察し得た画像を、フリーソフト「ImageJ」を使って二値化する。二値化する際は、Subtract Backgroundにて1pixelとしてCreate Backgroundした後、Threshold(二値化の閾値)で条件:RenyiEntropyを選択する。得られた二値化画像において、Analyze ParticlesでAreaを選択することで、各孔の面積を求め、各孔を円と仮定して算出した直径を表面孔径とする。表面孔径の平均値を求める際は、孔千個以上の孔径を平均して求める。 The surface pore diameter is the diameter of the pores present in the surface of the support layer when the surface is observed. To determine the surface pore diameter of the support layer, the image obtained by observing the surface of the support layer with an SEM is binarized using the free software "ImageJ". When binarizing, set 1 pixel in Subtract Background, select Create Background, and then select the condition: RenyiEntropy in Threshold (binarization threshold). In the obtained binarized image, select Area in Analyze Particles to determine the area of each hole, and the diameter calculated assuming each hole is a circle is used as the surface pore diameter. To determine the average surface pore diameter, the diameters of more than 1,000 holes are averaged.
また、当該支持層の重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rが40%以上80%以下であることが好ましい。80%より大きくとなると、ろ過に必要な圧力が高圧となり、ゼラチン溶液を高濃度まで濃縮することができない。一方、40%未満であると支持層でのゼラチンの阻止性能が低くなるため、限外ろ過膜全体で好適な阻止性能を得るためには上述のゲル層を緻密化する必要が生じ、結果ろ過に必要な圧力が高圧となり、ゼラチン溶液を高濃度まで濃縮することができない。 It is also preferable that the rejection rate R of the dextran with a weight-average molecular weight of 40,000 in the support layer is 40% or more and 80% or less. If it is greater than 80%, the pressure required for filtration becomes too high, and the gelatin solution cannot be concentrated to a high concentration. On the other hand, if it is less than 40%, the gelatin rejection performance in the support layer becomes low, and in order to obtain suitable rejection performance in the entire ultrafiltration membrane, it becomes necessary to densify the above-mentioned gel layer, and as a result, the pressure required for filtration becomes too high, and the gelatin solution cannot be concentrated to a high concentration.
ゲル層は前記支持層の一方の面に接するように配置されていることが好ましい。ゲル層と接する支持層表面の開口部の形状は特に限定されないが、略楕円形の開口部を有していることが好ましい。楕円形であることで、同じ阻止孔径を持つ真円形よりも開口面積を大きくとることが可能である。 It is preferable that the gel layer is disposed so as to be in contact with one surface of the support layer. The shape of the opening on the surface of the support layer in contact with the gel layer is not particularly limited, but it is preferable that the opening has a substantially elliptical shape. The elliptical shape allows for a larger opening area than a perfect circle with the same blocking hole diameter.
水中に溶解したゼラチンは通常ランダムコイル状態にあるので、略球形であると見なせる。よって、開口の短径が上記球形の直径よりも小さければゼラチンを阻止することができる。一方で、開口の面積が大きいほど透水性が高くなるので、開口は真円であるよりも楕円など一方向において長い形状であることが好ましい。よって、開口の長径d1と短径d2の比d1/d2の平均値が1.1以上1.4以下でかつ、前記比d1/d2の標準偏差が0.3以下であることが好ましい。d1/d2の平均値が1.1以上であることで、高い透水性が得られる。平均値が1.4以下であることで、ゲル層により開口全体が被覆されやすく、さらにろ過により圧力がかかってもゲル層が変形しにくいので、除去性が保たれる。 Gelatin dissolved in water is usually in a random coil state, so it can be considered to be approximately spherical. Therefore, if the short diameter of the opening is smaller than the diameter of the sphere, gelatin can be blocked. On the other hand, since the larger the area of the opening, the higher the water permeability, it is preferable that the opening has a shape that is longer in one direction, such as an ellipse, rather than a perfect circle. Therefore, it is preferable that the average value of the ratio d1/d2 of the long diameter d1 and the short diameter d2 of the opening is 1.1 to 1.4, and the standard deviation of the ratio d1/d2 is 0.3 or less. By having the average value of d1/d2 be 1.1 or more, high water permeability can be obtained. By having the average value be 1.4 or less, the entire opening is easily covered with a gel layer, and the gel layer is less likely to deform even when pressure is applied by filtration, so that removability is maintained.
また、短径d2の平均d2aveが5nm以上15nm以下であることが好ましい。濃縮したいゼラチンと同程度のサイズであることで、一定の阻止性能を有しつつ大きな開口面積を確保できる。 In addition, the average d2ave of the minor diameter d2 is preferably 5 nm or more and 15 nm or less. By having the size approximately the same as that of the gelatin to be concentrated, a large opening area can be secured while maintaining a certain blocking performance.
支持層である膜の形状については、特に限定はなく、例えば平膜、中空糸膜、またはチューブラーが挙げられるが、中空糸膜は、装置の面積当たりの膜面積を大きくすることができる点で好ましい。また、中空糸膜では、ゲル層が支持層をその横断面の円周方向において被覆するので、ゲル層が支持層から剥離しにくいという利点がある。 The shape of the membrane that is the support layer is not particularly limited, and examples include flat membranes, hollow fiber membranes, and tubular membranes. Hollow fiber membranes are preferred because they allow for a larger membrane area per unit area of the device. In addition, hollow fiber membranes have the advantage that the gel layer covers the support layer in the circumferential direction of its cross section, making it difficult for the gel layer to peel off from the support layer.
また、ゲル層は、中空糸膜である支持層の外表面を被覆することが好ましい。ゲル層が支持層の外表面に形成されることで、中空糸膜内の流路を狭めずにゲル層の効果を得ることができる。なお、被処理液はゲル層が設けられた側に供給されることが好ましい。よって、支持層の外側にゲル層を有する中空糸膜は、外圧式モジュールに適用される。 The gel layer preferably covers the outer surface of the support layer, which is a hollow fiber membrane. By forming the gel layer on the outer surface of the support layer, the effect of the gel layer can be obtained without narrowing the flow path inside the hollow fiber membrane. The liquid to be treated is preferably supplied to the side where the gel layer is provided. Therefore, a hollow fiber membrane having a gel layer on the outside of the support layer is applied to an external pressure type module.
支持層は、1つの層であってもよいし、2以上の層を備えてもよい。例えば、支持層は、球状構造を有する第1層と、第1層上に設けられ、三次元網目状構造を有し、第1層よりも緻密な第2層とを有してもよい。ゲル層は、三次元網目状構造の層の上に形成される。 The support layer may be one layer, or may have two or more layers. For example, the support layer may have a first layer having a spherical structure and a second layer provided on the first layer, having a three-dimensional mesh-like structure, and being denser than the first layer. The gel layer is formed on the layer with the three-dimensional mesh-like structure.
<限外ろ過膜の製造方法>
以下に製造方法の具体的な形態について述べる。なお、本発明の限外ろ過膜は、特定の製造方法に限定されない。
<Method of manufacturing ultrafiltration membrane>
A specific embodiment of the production method will be described below. Note that the ultrafiltration membrane of the present invention is not limited to a specific production method.
<ゲル層形成工程>
ゲル層は、例えば、ゼラチン溶液を支持層によってろ過し、支持層上にゼラチンを堆積させることで、形成することができる。
ゲル層の形成に用いられるゼラチンは、重量平均分子量Mwが10,000以上360,000以下を満たす。
<Gel layer forming step>
The gel layer can be formed, for example, by filtering a gelatin solution through a support layer and depositing the gelatin on the support layer.
The gelatin used to form the gel layer has a weight average molecular weight Mw of 10,000 or more and 360,000 or less.
また、ろ過は、支持層の臨界圧力以上、臨界圧力の4倍以下の膜間差圧で行えばよい。膜間差圧は、具体的には、50kPa以上、200kPa以下とすることが好ましい。膜間差圧が50kPa以上であると、臨界圧力を上回ることが多いので、ゼラチンを適度に圧密化し、阻止率を向上させることができる。膜間差圧が200kPa以下であることで、限外ろ過膜の許容圧力範囲内での運転を可能とする、適切な透水性を得ることができる。膜間差圧は、さらに好ましくは、100kPa以上、200kPa以下である。 Filtration may be performed at a transmembrane pressure difference that is equal to or greater than the critical pressure of the support layer and equal to or less than four times the critical pressure. Specifically, the transmembrane pressure difference is preferably equal to or greater than 50 kPa and equal to or less than 200 kPa. If the transmembrane pressure difference is equal to or greater than 50 kPa, the critical pressure is often exceeded, and the gelatin can be appropriately compacted to improve the rejection rate. If the transmembrane pressure difference is equal to or less than 200 kPa, appropriate water permeability can be obtained, allowing operation within the allowable pressure range of the ultrafiltration membrane. The transmembrane pressure difference is more preferably equal to or greater than 100 kPa and equal to or less than 200 kPa.
ここで、臨界圧力とは、膜間差圧に対するろ過フラックスの上昇率が低下し始める圧力である。本発明において、臨界圧力とは、縦軸をろ過フラックス(J)、横軸を膜間差圧(TMP)とするグラフにおいて、J=Jmax(ろ過フラックスの最大値)の線1と、式(2)の式のTMP=0における接線である線2の交点が示す圧力を意味する。
Here, the critical pressure is the pressure at which the rate of increase of the filtration flux relative to the transmembrane pressure begins to decrease. In the present invention, the critical pressure means the pressure indicated by the intersection of
但し、Pfは原液側圧力であり、Ppはろ過液側圧力である。 Here, Pf is the pressure on the raw liquid side, and Pp is the pressure on the filtrate side.
さらに、ゲル層形成工程は、クロスフローろ過により実行されることが好ましく、より具体的には、中空糸状の支持層を組込んだ中空糸膜モジュールを用いたクロスフローろ過により実行されることが好ましい。クロスフローろ過によると、ゼラチンの堆積量をモジュール内で均一にすることができる。クロスフローろ過の場合、原液側圧力Pfはモジュール入口圧力とモジュール出口圧力の平均値となる。 Furthermore, the gel layer formation process is preferably carried out by cross-flow filtration, more specifically, by cross-flow filtration using a hollow fiber membrane module incorporating a hollow fiber-shaped support layer. Cross-flow filtration allows the amount of gelatin deposition to be uniform within the module. In the case of cross-flow filtration, the raw liquid side pressure Pf is the average value of the module inlet pressure and the module outlet pressure.
臨界圧力は、原液中の溶質の分子量、濃度、温度、クロスフローろ過におけるクロスフロー線速度等により変化する値である。臨界圧力値は、濃縮対象とするゼラチン溶液を用い、実際に行う濃縮と同じ条件でろ過を行うことで取得することが好ましい。 The critical pressure is a value that varies depending on the molecular weight, concentration, temperature, and cross-flow linear velocity of the solute in the raw solution during cross-flow filtration. It is preferable to obtain the critical pressure value by filtering the gelatin solution to be concentrated under the same conditions as those for the actual concentration.
また、クロスフローろ過における原液(すなわちゼラチン溶液)の粘度μfとろ過液の粘度μpの比μf/μpが、μf/μp>1.5であるとき、原液の流速vfとろ過液の流速vpとの流速比vp/vfを、0.02≦vp/vf≦0.3とすることが望ましい。 In addition, when the ratio μf/μp of the viscosity μf of the stock solution (i.e., gelatin solution) to the viscosity μp of the filtrate in cross-flow filtration is μf/μp>1.5, it is desirable to set the flow rate ratio vp/vf of the flow rate vf of the stock solution to the flow rate vp of the filtrate in the range of 0.02≦vp/vf≦0.3.
ゼラチンの濃縮工程を行う直前にゼラチン溶液をろ過しながら膜表面に堆積させることが好ましい。ろ過しながら堆積させることで、可逆的ゲルの状態でゲル層を被覆させることができるため、濃縮工程後にゲル層を回収可能であり好ましい。 It is preferable to deposit the gelatin solution on the membrane surface while filtering it immediately before carrying out the gelatin concentration process. By depositing it while filtering it, it is possible to coat the gel layer in a reversible gel state, which is preferable since the gel layer can be recovered after the concentration process.
ゼラチン製造方法においては、膜を薬液により洗浄することがあり、被覆されたゲル層の一部または全部が洗浄により分解されるか、または脱離するおそれがある。 In the gelatin manufacturing process, the membrane may be washed with a chemical solution, and there is a risk that part or all of the coated gel layer may be decomposed or detached by the washing.
また、原液(ゼラチン溶液)の粘度μfは1.5mPa・s以上であることが好ましい。
また、原液(ゼラチン溶液)のゼラチン濃度は1wt%以上10wt%以下であることが好ましい。
The viscosity μf of the original solution (gelatin solution) is preferably 1.5 mPa·s or more.
The gelatin concentration of the original solution (gelatin solution) is preferably 1 wt % or more and 10 wt % or less.
また、ゲル層形成工程は、他に、ゼラチン溶液に支持層を浸漬することでゼラチンを吸着させた後、乾燥させる方法や、ノズルコート、スプレーコートなどにより、支持層の表面にゼラチン溶液を塗布する方法がある。 Other methods for forming the gel layer include immersing the support layer in a gelatin solution to allow the gelatin to adsorb and then drying the support layer, or applying the gelatin solution to the surface of the support layer by nozzle coating, spray coating, etc.
<支持層形成工程>
熱可塑性樹脂から支持層を製造する方法としては、熱誘起相分離法、非溶媒誘起相分離法、溶融抽出法、延伸開孔法等が挙げられるが、このうち熱誘起相分離法または非溶媒誘起相分離法が好ましい。
<Support layer forming step>
Methods for producing a support layer from a thermoplastic resin include thermally induced phase separation, non-solvent induced phase separation, melt extraction, and stretching and perforation methods, among which thermally induced phase separation and non-solvent induced phase separation are preferred.
熱誘起相分離では、高温で溶解した樹脂溶液を冷却することにより固化させる。非溶媒誘起相分離では、樹脂溶液を非溶媒に接触させることにより固化させる。いずれの方法でも、相分離速度を制御することで、支持層の開口径を、ゼラチン溶液の膜濃縮工程に適したサイズに制御することができる。 In thermally induced phase separation, the resin solution is solidified by cooling it after dissolving it at high temperatures. In non-solvent induced phase separation, the resin solution is solidified by contacting it with a non-solvent. In either method, the speed of phase separation can be controlled to control the opening size of the support layer to a size suitable for the membrane concentration process of the gelatin solution.
非溶媒誘起相分離法を利用する場合、樹脂溶液の溶媒としては、樹脂の良溶媒が好ましく、例えばフッ化ビニリデン樹脂の良溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、メチルエチルケトン、アセトン、テトラヒドロフラン等の低級アルキルケトン、エステル、アミド等およびその混合溶媒が挙げられる。ここで良溶媒とは、60℃未満の低温でもフッ化ビニリデン樹脂を5重量%以上溶解させることが可能な溶媒である。 When using the non-solvent induced phase separation method, the solvent for the resin solution is preferably a good solvent for the resin. For example, good solvents for vinylidene fluoride resin include lower alkyl ketones such as N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, methyl ethyl ketone, acetone, and tetrahydrofuran, esters, amides, and mixtures thereof. Here, a good solvent is a solvent that can dissolve 5% or more by weight of vinylidene fluoride resin even at low temperatures below 60°C.
また、樹脂溶液を接触させる非溶媒は、フッ化ビニリデン樹脂の融点または溶媒の沸点まで、フッ化ビニリデン樹脂を溶解も膨潤もさせない溶媒と定義する。ここでフッ化ビニリデン樹脂の非溶媒としては、水、ヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、四塩化炭素、o-ジクロルベンゼン、トリクロルエチレン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、低分子量のポリエチレングリコール等の脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪族多価アルコール、芳香族多価アルコール、塩素化炭化水素、またはその他の塩素化有機液体およびその混合溶媒などが挙げられる。 The non-solvent with which the resin solution is brought into contact is defined as a solvent that does not dissolve or swell the vinylidene fluoride resin up to the melting point of the vinylidene fluoride resin or the boiling point of the solvent. Examples of non-solvents for vinylidene fluoride resin include water, hexane, pentane, benzene, toluene, methanol, ethanol, carbon tetrachloride, o-dichlorobenzene, trichloroethylene, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, pentanediol, hexanediol, low molecular weight polyethylene glycol, and other aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, aliphatic polyhydric alcohols, aromatic polyhydric alcohols, chlorinated hydrocarbons, or other chlorinated organic liquids and mixed solvents thereof.
支持層が2以上の層を有する場合は、これらの層を同時に形成してもよいし、順に形成してもよい。同時に形成する場合は、多重管式口金を用いて、複数の樹脂溶液を同時に射出すればよい。また、順に形成する場合は、まず第1層を相分離で形成した後、第2層を形成する樹脂溶液を塗布し、さらに相分離を行えばよい。なお、第2層の樹脂溶液の塗布には、ノズル、スリットコータ、またはスプレーコーティングを利用することができる。3以上の層を形成する場合は、このような操作を順次行う。 When the support layer has two or more layers, these layers may be formed simultaneously or sequentially. When forming simultaneously, a multi-tube nozzle may be used to simultaneously inject multiple resin solutions. When forming sequentially, the first layer may be formed by phase separation, and then the resin solution that forms the second layer may be applied, followed by further phase separation. A nozzle, slit coater, or spray coating may be used to apply the resin solution for the second layer. When forming three or more layers, these operations are performed sequentially.
支持層が球状構造の層と三次元網目状構造の層を有する場合、球状構造の層の形成には熱誘起相分離を利用し、三次元網目状構造の形成には、非溶媒誘起相分離法を利用することができる。 When the support layer has a layer with a spherical structure and a layer with a three-dimensional mesh-like structure, thermally induced phase separation can be used to form the layer with the spherical structure, and a non-solvent induced phase separation method can be used to form the three-dimensional mesh-like structure.
<モジュール>
以下では、限外ろ過膜が中空糸膜である場合の膜モジュール構造の一例を説明する。膜モジュールは外圧式膜モジュールであることが好ましい。外圧式膜モジュールでは、被処理液が中空糸膜の外側を流れ、透過液が中空糸膜の内側を流れる。
<Module>
An example of a membrane module structure in which the ultrafiltration membrane is a hollow fiber membrane will be described below. The membrane module is preferably an external pressure type membrane module. In an external pressure type membrane module, the liquid to be treated flows on the outside of the hollow fiber membrane, and the permeated liquid flows on the inside of the hollow fiber membrane.
図2は、本発明に係る限外ろ過膜モジュールの一形態を示す概略図である。以下、便宜上図2の透過液導出口3側を上方向、原液導入口2側を下方向として説明する。原液導入口2と、透過液導出口3と、原液導出口4と、を有する容器1に、限外ろ過膜5が充填されている。限外ろ過膜5は、第1ポッティング部8、第2ポッティング部9に包埋されており、第1ポッティング部8、第2ポッティング部9は容器1と接着されている。第1ポッティング部8に包埋された限外ろ過膜5の下端部は封止されている。また、第1ポッティング部8は原液導入口2から導入された原液を通液するための複数の貫通孔を備えている。一方、第2ポッティング部9に包埋された限外ろ過膜5の上端部は開口された状態で包埋されている。
Figure 2 is a schematic diagram showing one embodiment of the ultrafiltration membrane module according to the present invention. In the following, for convenience, the
濃縮によりゼラチン溶液の粘度が上昇するとクロスフローによる被処理液流路の通液圧力損失が大きくなり、ポンプでの吐出量が低下または運転動力コストが増大する。外圧式中空糸膜モジュールにおいては、中空糸膜の充填密度を減らすことで、クロスフロー流路断面積を増やして前記圧力損失を抑えることが可能である。 When the viscosity of the gelatin solution increases due to concentration, the cross-flow pressure loss in the treated liquid flow path increases, reducing the pump discharge rate or increasing operating power costs. In an external pressure type hollow fiber membrane module, the cross-sectional area of the cross-flow flow path can be increased by reducing the packing density of the hollow fiber membranes, thereby suppressing the pressure loss.
中空糸膜の充填率としては20%以上50%以下であることが好ましい。20%以上であることで十分な膜面積が得られ、50%以下であることで十分なクロスフロー流路断面積が得られる。 The filling rate of the hollow fiber membrane is preferably 20% or more and 50% or less. A filling rate of 20% or more provides a sufficient membrane area, and a filling rate of 50% or less provides a sufficient cross-flow channel cross-sectional area.
<ゼラチンの製造方法>
図1は、膜濃縮工程を含むゼラチンの製造方法(工程概略図)である。
図1に示される通り、ゼラチン溶液を製造するため、原料の粉砕・脱脂・脱灰、前処理(酸処理またはアルカリ処理)、抽出が行われる。得られたゼラチン溶液に対して、膜濃縮工程と熱濃縮工程をこの順に行うことを含む濃縮工程を実施することで、ゼラチン濃縮溶液を得る。また、ゼラチン濃縮溶液に対して、例えば、後処理(殺菌・成形)及び乾燥を実施することで、ゼラチンが得られる。
<Production method of gelatin>
FIG. 1 is a process diagram of a gelatin production method including a membrane concentration step.
As shown in Fig. 1, in order to produce a gelatin solution, the raw material is crushed, degreased, deashed, pretreated (acid treatment or alkali treatment), and extracted. The obtained gelatin solution is subjected to a concentration process including a membrane concentration process and a thermal concentration process in this order to obtain a gelatin concentrated solution. The gelatin concentrated solution is then subjected to, for example, post-treatment (sterilization and molding) and drying to obtain gelatin.
膜濃縮工程で処理されるゼラチン溶液の製造方法としては、例えば、原料の脱脂、脱灰をした後、水洗し、酸処理またはアルカリ処理といった前処理を施し、再度水洗した後、ゼラチンを抽出することによってゼラチン溶液が得られる。 The gelatin solution to be processed in the membrane concentration process can be produced, for example, by degreasing and de-ashing the raw material, rinsing it with water, pretreating it with an acid or alkali, rinsing it again with water, and then extracting the gelatin to obtain the gelatin solution.
ゼラチンの原料として、コラーゲンを含む組織を有する、牛骨および豚骨などの骨原料、牛皮および豚皮などの皮原料、サメなどの魚原料などが一般的に挙げられる。特に原料として牛骨、豚骨などの骨原料を用いる場合は、原料の粉砕を行うことが好ましい。 Typical raw materials for gelatin include bone raw materials such as cow bones and pig bones, leather raw materials such as cowhide and pig skin, and fish raw materials such as shark, all of which have collagen-containing tissue. In particular, when using bone raw materials such as cow bones and pig bones as raw materials, it is preferable to crush the raw materials.
ゼラチンの抽出は回分式に実施しても良く、抽出回数は特に限定はされない。具体的には1~8回程度でよいが、一般的には3~7回が好ましい。 Gelatin extraction may be carried out batchwise, and the number of extractions is not particularly limited. Specifically, extractions may be carried out 1 to 8 times, but generally 3 to 7 times is preferred.
前記ゼラチン溶液のゼラチン濃度としては、前記抽出時に1質量%以上10質量%未満であることが好ましい。1質量%未満であるとゼラチンの抽出後に原料に残存するゼラチンが多く経済的でなく、10質量%以上であると抽出時に必要以上にゼラチンが分解するか、抽出されたゼラチンのゼリー強度が低下する恐れがある。 The gelatin concentration of the gelatin solution is preferably 1% by mass or more and less than 10% by mass at the time of extraction. If it is less than 1% by mass, a large amount of gelatin remains in the raw material after extraction, which is not economical, and if it is 10% by mass or more, the gelatin may decompose more than necessary during extraction or the jelly strength of the extracted gelatin may decrease.
前記ゼラチン溶液の製造では、ゼラチンの原料は物理的分解および化学的分解を経てゼラチン溶液とされるため、得られたゼラチンの高分子鎖はオリジナルの鎖から所々切られている。その重量平均分子量(以下では単に分子量と呼称)は複数鎖からなるらせん構造体も含め1万から36万と大きな分布を有する。また、分子量1万未満のゲル化能の低いコラーゲンペプチドも副産物として生じる。 In the production of the gelatin solution, the raw material for gelatin is physically and chemically decomposed to produce a gelatin solution, so the polymer chains of the resulting gelatin are cut in places from the original chains. The weight-average molecular weight (hereafter simply referred to as molecular weight) has a wide distribution, ranging from 10,000 to 360,000, including helical structures consisting of multiple chains. In addition, collagen peptides with a molecular weight of less than 10,000 and low gelling ability are also produced as a by-product.
以下に具体的な実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to specific examples, but the present invention is not limited to these examples.
<ゲル層の測定方法>
支持層に被覆されたゲル層の存在確認の方法として、ポリアクリルアミドゲル電気泳動法(SDS-PAGE)および液体クロマトグラフ質量分析法(LC/MS/MS)について説明する。
<Method of measuring gel layer>
As a method for confirming the presence of a gel layer covering the support layer, polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) and liquid chromatography mass spectrometry (LC/MS/MS) will be described.
NuPAGE(登録商標) LDS Sample Buffer(4×)(ライフテクノロジーズジャパン株式会社)60μL、0.5mol/L ジチオスレイトール(DTT)5μL、水135μLを混合し200μLとし,抽出液とした。 60 μL of NuPAGE (registered trademark) LDS Sample Buffer (4x) (Life Technologies Japan, Inc.), 5 μL of 0.5 mol/L dithiothreitol (DTT), and 135 μL of water were mixed to make 200 μL, which was used as the extract.
メタノールでよく拭いたはさみを用い,限外ろ過膜を0.5g切り出し,膜内部に200μLの抽出液を繰り返し通過させた。さらに限外ろ過膜を細かく切り刻んで1.5mLのエッペンドルフチューブに入れた。そこに上記の抽出液を加え,激しくボルテックスし,超音波洗浄機を用いて,5分間超音波処理したのち,上清を90℃で10分間熱処理した。
アクリルアミドゲル(NuPAGE(登録商標) 4-12% ビス-トリスゲル、1.0mm、10well(ライフテクノロジーズジャパン株式会社))に,分子量マーカー(Novex(登録商標) Sharp着色済みタンパク質スタンダード(ライフテクノロジーズジャパン株式会社))5μLと、前期膜抽出物25μLをロードした。電気泳動は以下に示す条件にて行い,泳動後のゲルについてCBB染色を行った。
Using scissors that had been thoroughly wiped with methanol, 0.5 g of the ultrafiltration membrane was cut out, and 200 μL of the extract was repeatedly passed through the inside of the membrane. The ultrafiltration membrane was then finely chopped and placed in a 1.5 mL Eppendorf tube. The above extract was added thereto, vigorously vortexed, and ultrasonically treated for 5 minutes using an ultrasonic cleaner, after which the supernatant was heat-treated at 90°C for 10 minutes.
A molecular weight marker (Novex (registered trademark) Sharp pre-stained protein standard (Life Technologies Japan, Inc.)) of 5 μL and the prophase membrane extract of 25 μL were loaded onto an acrylamide gel (NuPAGE (registered trademark) 4-12% Bis-Tris gel, 1.0 mm, 10 well (Life Technologies Japan, Inc.)). Electrophoresis was performed under the conditions shown below, and the gel after electrophoresis was stained with CBB.
[電気泳動条件]
泳動バッファー:NuPAGE(登録商標) MES SDS Running Buffer(20×)(ライフテクノロジーズジャパン株式会社)を水で20倍希釈し調製
泳動条件:200V定電圧,40分間
電気泳動装置:STC-808(テフコ株式会社)
[Electrophoresis conditions]
Running buffer: NuPAGE (registered trademark) MES SDS Running Buffer (20x) (Life Technologies Japan, Inc.) was prepared by diluting 20 times with water. Running conditions: 200 V constant voltage, 40 minutes. Electrophoresis apparatus: STC-808 (Tefco Corporation).
得られた主要バンド(分子量50,000~100,000付近)を切りだし水中で洗浄した。
続いて7mol/Lのグアニジン、0.5mol/LのTris-HCl、0.01mol/LのEDTA(pH8.5)中で,ジチオスレイトール及びヨードアセトアミドを用いて還元カルバミドメチル化した。さらに、25mmol/L炭酸水素アンモニウム中で,リシルエンドペプチダーゼ(Lys-C)を用い37℃で20時間消化した。
The resulting major band (approximately molecular weight 50,000 to 100,000) was excised and washed in water.
The resulting mixture was then reductively carbamidomethylated using dithiothreitol and iodoacetamide in 7 mol/L guanidine, 0.5 mol/L Tris-HCl, and 0.01 mol/L EDTA (pH 8.5), and then digested with lysyl endopeptidase (Lys-C) in 25 mmol/L ammonium bicarbonate at 37° C. for 20 hours.
消化液を回収後,ゲル中のペプチドを30vol%アセトニトリル及び50vol%アセトニトリルを用いて抽出し,ゲル内消化試料とした。 After collecting the digestion solution, the peptides in the gel were extracted using 30 vol% acetonitrile and 50 vol% acetonitrile to prepare the in-gel digestion sample.
以下の条件で、LC/MS/MS測定を行った。ゲル内消化試料の測定前に標準品(ESI-L Low Concentration Tuning Mix,Agilent Techonologies)を測定し質量分析計の校正を実施した。 LC/MS/MS measurements were performed under the following conditions. Before measuring the in-gel digestion samples, a standard (ESI-L Low Concentration Tuning Mix, Agilent Technologies) was measured to calibrate the mass spectrometer.
[機器]
質量分析計:maXis impact(Bruker Daltonics, Inc.)
液体クロマトグラフ:LC-30Aシステム(株式会社島津製作所)
[device]
Mass spectrometer: maXis impact (Bruker Daltonics, Inc.)
Liquid chromatograph: LC-30A system (Shimadzu Corporation)
[LC条件]
カラム:BEH300 C18(2mmI.D.×150mm、Waters Corporation)
カラム温度:50℃
移動相流速:毎分0.2mL
検出波長:214nm
移動相A:水/ギ酸混液(1000:1)
移動相B:アセトニトリル/水/ギ酸混液(900:100:1)
注入量: 50μL
サンプルクーラー設定温度:5℃
[LC conditions]
Column: BEH300 C18 (2 mm I.D. x 150 mm, Waters Corporation)
Column temperature: 50 ° C.
Mobile phase flow rate: 0.2 mL per minute
Detection wavelength: 214 nm
Mobile phase A: Water/formic acid mixture (1000:1)
Mobile phase B: Acetonitrile/water/formic acid mixture (900:100:1)
Injection volume: 50 μL
Sample cooler temperature setting: 5℃
得られた測定データについて、解析ソフトウェアMASCOT 2.4.1(MASCOT Science Inc.)を用いて解析を行い、抽出されたタンパク質がゼラチンであることが確認された。 The obtained measurement data was analyzed using the analysis software MASCOT 2.4.1 (MASCOT Science Inc.), and it was confirmed that the extracted protein was gelatin.
<限外ろ過膜の純水透過係数の測定方法>
膜面積Aが0.001~0.002m2となるように膜充填量を調整した長さ約10cmの小型モジュールを作製し、温度25℃、ろ過差圧18.6kPaの条件でゲル層側から蒸留水を送液して全量ろ過した。10min間の透過水量(m3)を測定して得た値(m3/Am2/10min/18.6kPa)を、単位有効膜面積(m2)、単位時間(h)、単位ろ過差圧(bar)当たりに換算して純水透過係数L(m/h/bar)を算出した。
<Method for measuring the pure water permeability coefficient of ultrafiltration membrane>
A small module with a length of about 10 cm was prepared by adjusting the membrane filling amount so that the membrane area A was 0.001 to 0.002 m2 , and distilled water was fed from the gel layer side and filtered in its entirety under conditions of a temperature of 25°C and a filtration differential pressure of 18.6 kPa. The amount of permeated water ( m3 ) over 10 min was measured, and the value ( m3 / Am2 /10 min/18.6 kPa) was converted per unit effective membrane area ( m2 ), unit time (h), and unit filtration differential pressure (bar) to calculate the pure water permeability coefficient L (m/h/bar).
<ゲル層の除去方法>
限外ろ過膜を充填したモジュールに対して、薬液として40℃pH12.0の水酸化ナトリウム水溶液をゲル層側からろ過フラックスが10LMHとなるように送液し、1h全量ろ過する。水酸化ナトリウム水溶液のろ過後、40℃pH12.0有効遊離塩素濃度500ppmの次亜塩素酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの水溶液に薬液を交換し、さらに1hろ過を行った。
<Method of Removing Gel Layer>
A 40°C pH 12.0 aqueous sodium hydroxide solution was fed from the gel layer side of the module filled with ultrafiltration membranes so that the filtration flux was 10 LMH, and the entire amount was filtered for 1 hour. After filtering the aqueous sodium hydroxide solution, the chemical solution was replaced with an aqueous sodium hypochlorite and sodium hydroxide solution with an effective free chlorine concentration of 500 ppm at 40°C pH 12.0, and filtration was continued for another 1 hour.
ゲル層が除去されたことの確認として、前記処理後のモジュールから限外ろ過膜を切りだし、樹脂包埋後、ミクロトームを用いて薄膜切片サンプルを作製した。飛行時間型2次イオン質量分析法(TOF-SIMS)を用いて前記サンプルの膜断面の組成分析を行った。包埋樹脂と支持層の間にゼラチン由来成分(CN-, CNO-)のピークは検出されなかった。 To confirm that the gel layer had been removed, the ultrafiltration membrane was cut out from the processed module, embedded in resin, and then a thin-film section sample was prepared using a microtome. The composition of the membrane cross section of the sample was analyzed using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). No peaks of gelatin-derived components (CN-, CNO-) were detected between the embedding resin and the support layer.
<ゲル層の純水透過係数の測定方法>
前記処理後のモジュールについて、温度25℃、ろ過差圧18.6kPaの条件でゲル層が被覆されていた側から蒸留水を送液して全量ろ過した。10min間の透過水量(m3)を測定して得た値(m3/Am2/10min/18.6kPa)を、単位有効膜面積(m2)、単位時間(h)、単位ろ過差圧(bar)当たりに換算して純水透過係数Lm(m/h/bar)を算出した。
ゲル層の純水透過係数Lgは下記式(3)により算出した。
<Method for measuring pure water permeability coefficient of gel layer>
Distilled water was fed into the module after the above treatment from the side covered with the gel layer and filtered in its entirety under conditions of a temperature of 25° C. and a filtration differential pressure of 18.6 kPa. The amount of permeated water (m 3 ) over 10 minutes was measured, and the value (m 3 /Am 2 /10 min/18.6 kPa) was converted per unit effective membrane area (m 2 ), unit time (h), and unit filtration differential pressure (bar) to calculate the pure water permeability coefficient Lm (m/h/bar).
The pure water permeability coefficient Lg of the gel layer was calculated by the following formula (3).
但し、Lはゲル層除去前の限外ろ過膜の純水透過係数、Lmはゲル層除去後の限外ろ過膜の純水透過係数である。 where L is the pure water permeability coefficient of the ultrafiltration membrane before the gel layer is removed, and Lm is the pure water permeability coefficient of the ultrafiltration membrane after the gel layer is removed.
<表面自由エネルギーの測定方法>
表面自由エネルギーの算出には、限外ろ過膜の水接触角とホルムアミド接触角、ジヨードメタン接触角により、接触角計付属解析ソフト(協和界面科学株式会社製:FAMAS)を用いた。解析理論にはKaelble-Uy理論を使用した。中空糸膜である限外ろ過膜は3cm長に切り、25質量%のエタノール水溶液に一晩浸漬後、水中に2時間以上浸漬置換し、ハンドプレス機で平滑面を作製しサンプルとした。平膜である限外ろ過膜は3cm四方に切り、25質量%のエタノール水溶液に一晩浸漬後、水中に2時間以上浸漬置換し、サンプルを作製した。三態系サンプル台(協和界面科学株式会社製)に、ゲル層の表面が下となるように、サンプルを三態系マグネット(協和界面科学株式会社製)で固定し、蒸留水を入れた三態系セル(協和界面科学株式会社製)に入れ、ゲル層の表面に気泡を発生させ、接触角計(協和界面科学株式会社製:DropMaster DM500)で、25℃の雰囲気下で、静的接触角を測定し、この値を180°から除した値を水接触角とした。さらに前記平滑サンプルを減圧乾燥し、ゲル層の表面が上となるように、サンプルを接触角計サンプル台に乗せてセロハンテープにて固定した。ゲル層の表面にホルムアミドまたはジヨードメタンの液滴を滴下し、接触角計で、25℃の雰囲気下で、静的接触角を測定し、この値をホルムアミド接触角またはジヨードメタン接触角とした。
<Method for measuring surface free energy>
To calculate the surface free energy, the water contact angle, formamide contact angle, and diiodomethane contact angle of the ultrafiltration membrane were measured using analysis software attached to the contact angle meter (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.: FAMAS). The Kaelble-Uy theory was used as the analysis theory. The ultrafiltration membrane, which is a hollow fiber membrane, was cut into a length of 3 cm, immersed in a 25% by mass aqueous solution of ethanol overnight, and then immersed and replaced in water for 2 hours or more, and a smooth surface was prepared using a hand press machine to prepare a sample. The ultrafiltration membrane, which is a flat membrane, was cut into a 3 cm square, immersed in a 25% by mass aqueous solution of ethanol overnight, and then immersed and replaced in water for 2 hours or more to prepare a sample. The sample was fixed to a three-state sample stand (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.) with a three-state magnet (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.) so that the surface of the gel layer was facing down, and placed in a three-state cell (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.) containing distilled water, and bubbles were generated on the surface of the gel layer. A contact angle meter (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.: DropMaster DM500) was used to measure the static contact angle in an atmosphere of 25°C, and the value obtained by dividing this value from 180° was used as the water contact angle. The smooth sample was then dried under reduced pressure, and the sample was placed on a contact angle meter sample stand so that the surface of the gel layer was facing up and fixed with cellophane tape. A droplet of formamide or diiodomethane was dropped on the surface of the gel layer, and the static contact angle was measured in an atmosphere of 25°C using a contact angle meter, and this value was used as the formamide contact angle or diiodomethane contact angle.
<デキストラン阻止率の測定方法>
分離膜の形状として中空糸膜を用いたときの測定方法について記載する。直径5mm、長さ17cmのハウジングに中空糸膜を充填し、両端をコニシ株式会社製エポキシ樹脂系化学反応形接着剤「クイックメンダー」(登録商標)で0.5cmずつポッティングし、カットして開口することによって、中空糸膜を3本内蔵したモジュールを作製した後、該モジュールに蒸留水を100mL/minの流量で1時間流して洗浄した。
<Method for measuring dextran rejection rate>
The measurement method when a hollow fiber membrane was used as the shape of the separation membrane is described below. A housing with a diameter of 5 mm and a length of 17 cm was filled with hollow fiber membranes, and both ends were potted with 0.5 cm of an epoxy resin-based chemical reaction adhesive "Quick Mender" (registered trademark) manufactured by Konishi Co., Ltd., and cut to open, to prepare a module containing three hollow fiber membranes. The module was then washed by running distilled water through it at a flow rate of 100 mL/min for 1 hour.
次に、Fluka社製デキストラン平均分子量~40000(No.31389)を0.5mg/mLになるように蒸留水で溶解し、デキストラン水溶液(原液)を作成した。
モジュールに対して、中空糸膜の内側に同原液を流し、内側から外側に向けてろ過をかけた。同原液を流すときの温度は25℃とし、原液流量が20mL/min、ろ過流量が0.24mL/minになるように流速を調整した。原液を流してから60分後から75分後までの15分間のモジュール原液出口液および濾液を採取し、原液を流してから75分後に原液入口液を採取した。
Next, dextran having an average molecular weight of 40,000 or less (No. 31389) manufactured by Fluka was dissolved in distilled water to a concentration of 0.5 mg/mL to prepare an aqueous dextran solution (stock solution).
The stock solution was passed through the inside of the hollow fiber membrane of the module, and filtration was performed from the inside to the outside. The temperature of the stock solution when passing it was 25° C., and the flow rate was adjusted so that the stock solution flow rate was 20 mL/min and the filtration flow rate was 0.24 mL/min. The module stock solution outlet liquid and filtrate were collected for 15 minutes from 60 minutes to 75 minutes after the stock solution was passed, and the stock solution inlet liquid was collected 75 minutes after the stock solution was passed.
採取した液の濃度を示差屈折率計(島津製作所社製RID-20A)で測定した。デキストラン濃度の検量線は、濃度0.1、0.3、0.5mg/mLになるように蒸留水で溶解したデキストラン水溶液を用いて作成した。測定に使用したデキストランの篩い係数(SC)は、モジュール原液入口のデキストラン濃度(Ca)、出口のデキストラン濃度(Cb)、ろ過液のデキストラン濃度(Cf)から、(4)式で算出した。 The concentration of the collected liquid was measured using a differential refractometer (Shimadzu RID-20A). A calibration curve for dextran concentration was created using an aqueous solution of dextran dissolved in distilled water to give concentrations of 0.1, 0.3, and 0.5 mg/mL. The sieving coefficient (SC) of the dextran used in the measurement was calculated from the dextran concentration at the module stock solution inlet (Ca), the dextran concentration at the outlet (Cb), and the dextran concentration in the filtrate (Cf) using formula (4).
前記SCを重量平均分子量40000のデキストランの透過率とした。さらに、100%から前記透過率を引き算した値を重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rとした。 The SC was taken as the transmittance of dextran with a weight-average molecular weight of 40,000. Furthermore, the value obtained by subtracting the transmittance from 100% was taken as the rejection rate R of dextran with a weight-average molecular weight of 40,000.
<支持層の表面孔径の測定方法>
支持層の表面孔径は、支持層の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し得た画像から、フリーソフト「ImageJ」を用いて算出した。観察倍率は孔径に合わせて適宜設定すれば良く、例として孔径10nmの孔を観察する場合は10万倍に設定すれば良い。まず前記SEM画像からImageJを用いて二値化画像を取得する。Subtract Backgroundにて1pixelとしてCreate Backgroundした後、Threshold(二値化の閾値)で条件:RenyiEntropyを選択した。得られた二値化画像において、Analyze ParticlesでAreaとFit Ellipseを選択することで、各孔の面積を求め、各孔を楕円と仮定して算出した長径と短径を求めた。表面孔径および長径/短径比の平均値および標準偏差を求める際は、孔千個以上のデータセットを用いて求めた。
<Method for measuring surface pore size of support layer>
The surface pore size of the support layer was calculated using the free software "ImageJ" from the image obtained by observing the surface of the support layer with a scanning electron microscope (SEM). The observation magnification may be appropriately set according to the pore size. For example, when observing a pore with a pore size of 10 nm, it may be set to 100,000 times. First, a binarized image is obtained from the SEM image using ImageJ. After creating background with 1 pixel in Subtract Background, the condition: RenyiEntropy was selected in Threshold (binarization threshold). In the obtained binarized image, the area of each hole was obtained by selecting Area and Fit Ellipse in Analyze Particles, and the major axis and minor axis were calculated assuming that each hole was an ellipse. The average values and standard deviations of the surface pore diameter and major axis/minor axis ratio were calculated using a data set of more than 1,000 pores.
<溶液粘度の測定方法>
ゼラチン(新田ゼラチン社製;ゼラチンシルバー)を所定濃度となるように60℃の蒸留水に溶解させた。60℃になるよう温調し、図4に示した細管式粘度計にて粘度測定を行った。原液の流速は阻止率試験の流速に合わせた。
<Method for measuring solution viscosity>
Gelatin (Gelatin Silver, manufactured by Nitta Gelatin Co., Ltd.) was dissolved in distilled water at 60° C. to a predetermined concentration. The temperature was adjusted to 60° C., and viscosity was measured using a capillary viscometer as shown in FIG. 4. The flow rate of the stock solution was adjusted to the flow rate for the rejection test.
<支持層の製膜例1>
38質量%のPVDF1(クレハ製;KF1300)と、62質量%のγ-ブチロラクトンを混合し、160℃で溶解して、製膜原液を調製した。この製膜原液を、85質量%γ-ブチロラクトン水溶液を中空部形成液体として随伴させながら二重管口金から吐出し、口金の30mm下方に設置した温度20℃の85質量%γ-ブチロラクトン水溶液が入った冷却浴中で凝固させて、球状構造を有する中空糸状の担体を作製した。12質量%のPVDF2(アルケマ社製;Kynar(登録商標)710、重量平均分子量18万Da)、4質量%のセルロースジアセテート(CDA、イーストマン社製;CA-398-3)、4質量%のセルローストリアセテート(CTA、イーストマン社製;CA-436-80S)、80質量%のN―メチル―2―ピロリドン(NMP)を混合して、120℃で4時間撹拌しポリマー溶液を調製した。次いで、上記の中空糸状の担体の外表面に、塗布用ポリマー溶液を、10m/minで均一に塗布した(厚み50μm)。ポリマー溶液を塗布した担体を塗布から1秒後に、43℃の蒸留水に10秒浸漬させて凝固させ支持層を形成した。得られた支持層の重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rは49%であった。
<Support Layer Formation Example 1>
A membrane-forming stock solution was prepared by mixing 38% by mass of PVDF1 (KF1300 manufactured by Kureha Corporation) and 62% by mass of γ-butyrolactone and dissolving them at 160° C. This membrane-forming stock solution was discharged from a double-tube nozzle while accompanying an 85% by mass aqueous solution of γ-butyrolactone as a hollow portion-forming liquid, and solidified in a cooling bath containing an 85% by mass aqueous solution of γ-butyrolactone at a temperature of 20° C. and placed 30 mm below the nozzle, to prepare a hollow fiber-shaped carrier having a spherical structure. 12% by mass of PVDF2 (Arkema; Kynar (registered trademark) 710, weight average molecular weight 180,000 Da), 4% by mass of cellulose diacetate (CDA, Eastman; CA-398-3), 4% by mass of cellulose triacetate (CTA, Eastman; CA-436-80S), and 80% by mass of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were mixed and stirred at 120 ° C. for 4 hours to prepare a polymer solution. Next, the coating polymer solution was uniformly applied to the outer surface of the hollow fiber-shaped carrier at 10 m / min (thickness 50 μm). One second after application, the carrier coated with the polymer solution was immersed in distilled water at 43 ° C. for 10 seconds to solidify and form a support layer. The rejection rate R of dextran with a weight average molecular weight of 40,000 of the obtained support layer was 49%.
<支持層の製膜例2>
製膜例1と同様に、球状構造を有する中空糸状の担体を作製した。12質量%のPVDF2、5.1質量%のCDA、2.1質量%のCTA、68.8質量%のNMP、12質量%の2-ピロリドン(2P)を混合して、120℃で4時間撹拌しポリマー溶液を調製した。次いで、上記の中空糸状の担体の外表面に、塗布用ポリマー溶液を、10m/minで均一に塗布した(厚み50μm)。ポリマー溶液を塗布した担体を塗布から1秒後に、37℃の蒸留水に10秒浸漬させて凝固させ支持層を形成した。得られた支持層の重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rは55%であった。
<Support Layer Formation Example 2>
A hollow fiber-shaped carrier having a spherical structure was prepared in the same manner as in Membrane Formation Example 1. 12% by mass of PVDF2, 5.1% by mass of CDA, 2.1% by mass of CTA, 68.8% by mass of NMP, and 12% by mass of 2-pyrrolidone (2P) were mixed and stirred at 120°C for 4 hours to prepare a polymer solution. Next, the coating polymer solution was uniformly applied to the outer surface of the hollow fiber-shaped carrier at 10m/min (thickness 50μm). One second after application, the carrier coated with the polymer solution was immersed in distilled water at 37°C for 10 seconds to solidify and form a support layer. The rejection rate R of dextran with a weight average molecular weight of 40,000 of the obtained support layer was 55%.
<支持層の製膜例3>
製膜例1と同様に、球状構造を有する中空糸状の担体を作製した。12質量%のPVDF2、4.8質量%のCDA、2.4質量%のCTA、68.8質量%のNMP、12質量%のε―カプロラクタム(ε-CL)を混合して、120℃で4時間撹拌しポリマー溶液を調製した。次いで、上記の中空糸状の担体の外表面に、塗布用ポリマー溶液を、10m/minで均一に塗布した(厚み50μm)。ポリマー溶液を塗布した担体を塗布から1秒後に、20℃の蒸留水に10秒浸漬させて凝固させ支持層を形成した。得られた支持層の重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rは71%であった。
<Support Layer Formation Example 3>
A hollow fiber-shaped carrier having a spherical structure was prepared in the same manner as in Membrane Formation Example 1. 12% by mass of PVDF2, 4.8% by mass of CDA, 2.4% by mass of CTA, 68.8% by mass of NMP, and 12% by mass of ε-caprolactam (ε-CL) were mixed and stirred at 120°C for 4 hours to prepare a polymer solution. Next, the coating polymer solution was uniformly applied to the outer surface of the hollow fiber-shaped carrier at 10m/min (thickness 50μm). The carrier coated with the polymer solution was immersed in distilled water at 20°C for 10
<支持層の製膜例4>
ポリマー溶液を塗布した担体を塗布から1秒後に、60℃の蒸留水に10秒浸漬させて凝固させた以外は製膜例1と同様にし、支持層を形成した。得られた支持層の重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rは25%であった。
<Support Layer Formation Example 4>
A support layer was formed in the same manner as in Membrane Formation Example 1, except that the carrier coated with the polymer solution was coagulated by immersing it in distilled water at 60° C. for 10
<実施例1>
製膜例1で得られた支持層を直径5mm、長さ17cmのポリカーボネート製モジュールケースに3本挿入し、両末端をエポキシポッティング剤で固めた。端部を切断して、両末端が開口したモジュールを得た。なお、円筒状のモジュールケースには両端部付近の2箇所にポートを設け、中空糸状の支持層の外側をろ過原液が循環できるようにした。
Example 1
Three of the support layers obtained in Membrane Example 1 were inserted into a polycarbonate module case having a diameter of 5 mm and a length of 17 cm, and both ends were fixed with an epoxy potting agent. The ends were cut to obtain a module with both ends open. The cylindrical module case was provided with ports at two locations near both ends so that the filtrate stock solution could be circulated outside the hollow fiber support layer.
ゼラチン(新田ゼラチン社製ゼラチンシルバー)を濃度が5重量%となるように60℃の蒸留水に溶解させた。この時の粘度は1.5mPa/sであった。調製したゼラチン水溶液を60℃で前記モジュールの支持層に、膜間差圧160kPaとなるように供給して、膜面線速度1.0m/secで1hクロスフローろ過し、透過液はろ過原液タンクに還流した。膜間差圧160kPaは臨界圧力以上かつ臨界圧力の4倍以下の値である。以降の実施例・比較例について特に記載がない場合は上述の範囲の膜間差圧によりゲル層を形成させた。
クロスフローろ過後、モジュール内のゼラチン水溶液を排出・水洗しゲル層を有する限外ろ過膜を得た。得られた限外ろ過膜の純水透過係数は0.21m/h/barであった。
濃度10重量%のゼラチン水溶液を調整し、60℃で前記モジュールの限外ろ過膜に膜間差圧100kPaとなるように供給して、膜面線速度1.0m/secでクロスフローろ過を行い、透過液流量(L/h)を測定し、ろ過フラックスJ(LMH)を算出した。この時、透過液は回収した。
また、下記式(5)からゼラチンの阻止率Tを算出した。
Gelatin (Gelatin Silver manufactured by Nitta Gelatin Co., Ltd.) was dissolved in distilled water at 60°C to a concentration of 5% by weight. The viscosity at this time was 1.5 mPa/s. The prepared gelatin aqueous solution was supplied to the support layer of the module at 60°C so that the transmembrane pressure difference was 160 kPa, and cross-flow filtration was performed for 1 hour at a membrane surface linear velocity of 1.0 m/sec, and the permeate was returned to the filtrate stock tank. The transmembrane pressure difference of 160 kPa is equal to or greater than the critical pressure and equal to or less than four times the critical pressure. Unless otherwise specified in the following examples and comparative examples, a gel layer was formed at a transmembrane pressure difference within the above-mentioned range.
After the cross-flow filtration, the gelatin aqueous solution in the module was discharged and washed with water to obtain an ultrafiltration membrane having a gel layer. The pure water permeability of the obtained ultrafiltration membrane was 0.21 m/h/bar.
A gelatin aqueous solution with a concentration of 10% by weight was prepared and fed to the ultrafiltration membrane of the module at 60° C. so that the transmembrane pressure difference was 100 kPa, and cross-flow filtration was performed at a membrane surface linear velocity of 1.0 m/sec, the permeate flow rate (L/h) was measured, and the filtration flux J (LMH) was calculated. The permeate was then recovered.
The rejection rate T of gelatin was calculated from the following formula (5).
但し、Absfはろ過原液の波長292nmにおける吸光度、Abspは透過液の波長292nmにおける吸光度である。 Here, Abs f is the absorbance of the filtrate at a wavelength of 292 nm, and Abs p is the absorbance of the permeated liquid at a wavelength of 292 nm.
さらに、阻止率の測定に供したモジュールとは別に同様のモジュールを作製し前記ゲル層の除去処理を行って、ゲル層の純水透過係数を算出した。 In addition, a similar module was prepared in addition to the module used to measure the rejection rate, and the gel layer was removed to calculate the pure water permeability coefficient of the gel layer.
実施例の結果を表1に記載する。実施例1はろ過フラックスJ=25LMH、ゼラチン阻止率T=81%で良好な結果を示した。 The results of the examples are shown in Table 1. Example 1 showed good results with a filtration flux J of 25 LMH and a gelatin rejection rate T of 81%.
<実施例2>
製膜例2で得られた支持層を供した以外は実施例1と同様にした。実施例2はろ過フラックスJ=17LMH、ゼラチン阻止率T=86%で良好な結果を示した。
Example 2
The procedure was the same as in Example 1, except that the support layer obtained in Membrane Formation Example 2 was used. Example 2 showed good results, with a filtration flux J of 17 LMH and a gelatin rejection rate T of 86%.
<実施例3>
製膜例3で得られた支持層を供した以外は実施例1と同様にした。実施例3はろ過フラックスJ=15LMH、ゼラチン阻止率T=90%で良好な結果を示した。
Example 3
The procedure was the same as in Example 1, except that the support layer obtained in Membrane Formation Example 3 was used. Example 3 showed good results, with a filtration flux J of 15 LMH and a gelatin rejection rate T of 90%.
<実施例4>
濃度5重量%のゼラチン水溶液を調整し、60℃で前記モジュールの限外ろ過膜に膜間差圧70kPaとなるように供給し、ゲル層を有する限外ろ過膜を得た以外は実施例2と同様にした。実施例4はろ過フラックスJ=16LMH、ゼラチン阻止率T=85%で良好な結果を示した。
Example 4
The procedure was the same as in Example 2, except that an aqueous gelatin solution with a concentration of 5% by weight was prepared and supplied to the ultrafiltration membrane of the module at 60° C. so that the transmembrane pressure difference was 70 kPa, and an ultrafiltration membrane having a gel layer was obtained. Example 4 showed good results with a filtration flux J of 16 LMH and a gelatin rejection rate T of 85%.
<実施例5>
濃度5重量%のゼラチン水溶液を調整し、60℃で前記モジュールの限外ろ過膜に膜間差圧200kPaとなるように供給し、ゲル層を有する限外ろ過膜を得た以外は実施例2と同様にした。実施例5はろ過フラックスJ=13LMH、ゼラチン阻止率T=86%で良好な結果を示した。
Example 5
The procedure was the same as in Example 2, except that an aqueous gelatin solution with a concentration of 5% by weight was prepared and supplied to the ultrafiltration membrane of the module at 60° C. so that the transmembrane pressure difference was 200 kPa, and an ultrafiltration membrane having a gel layer was obtained. Example 5 showed good results with a filtration flux J of 13 LMH and a gelatin rejection rate T of 86%.
<実施例6>
製膜例1で得られた中空糸を1.5m長に切り、125℃の加圧熱水に1h浸漬し支持層とした以外は実施例1と同様にした。実施例6はろ過フラックスJ=17LMH、ゼラチン阻止率T=86%で良好な結果を示した。
Example 6
The hollow fiber obtained in Membrane Production Example 1 was cut to a length of 1.5 m and immersed in compressed hot water at 125° C. for 1 hour to form a support layer, in the same manner as in Example 1. Example 6 showed good results with a filtration flux J of 17 LMH and a gelatin rejection rate T of 86%.
<比較例1>
濃度5重量%のゼラチン水溶液を調整し、60℃で前記モジュールの限外ろ過膜に膜間差圧30kPaとなるように供給し、ゲル層を有する限外ろ過膜を得た以外は実施例1と同様にした。膜間差圧30kPaは臨界圧力未満である。
比較例の結果を表2に記載する。比較例1はろ過フラックスJ=46LMHで良好な結果を示した、一方でゼラチン阻止率T=65%であった。
<Comparative Example 1>
The procedure was the same as in Example 1, except that an aqueous gelatin solution with a concentration of 5% by weight was prepared and supplied to the ultrafiltration membrane of the module at 60° C. so that the transmembrane pressure difference was 30 kPa, and an ultrafiltration membrane having a gel layer was obtained. The transmembrane pressure difference of 30 kPa is less than the critical pressure.
The results of the comparative examples are listed in Table 2. Comparative Example 1 showed good results with a filtration flux J=46 LMH, while the gelatin rejection rate T=65%.
<比較例2>
濃度5重量%のゼラチン水溶液を調整し、60℃で前記モジュールの限外ろ過膜に膜間差圧30kPaとなるように供給し、ゲル層を有する限外ろ過膜を得た以外は実施例2と同様にした。膜間差圧30kPaは臨界圧力未満である。比較例2はろ過フラックスJ=31LMHで良好な結果を示した、一方でゼラチン阻止率T=78%であった。
<Comparative Example 2>
The same procedure as in Example 2 was followed, except that an aqueous gelatin solution with a concentration of 5% by weight was prepared and fed to the ultrafiltration membrane of the module at 60° C. so that the transmembrane pressure difference was 30 kPa, and an ultrafiltration membrane having a gel layer was obtained. The transmembrane pressure difference of 30 kPa is less than the critical pressure. Comparative Example 2 showed good results with a filtration flux J of 31 LMH, while the gelatin rejection rate T was 78%.
<比較例3>
濃度5重量%のゼラチン水溶液を調整し、60℃で前記モジュールの限外ろ過膜に膜間差圧200kPaとなるように供給し、ゲル層を有する限外ろ過膜を得た以外は実施例2と同様にした。膜間差圧200kPaは臨界圧力の4倍より大きな値である。比較例3はゼラチン阻止率T=86%で良好な結果を示した、一方でろ過フラックスJ=9LMHであった。
<Comparative Example 3>
The same procedure as in Example 2 was followed except that an aqueous gelatin solution with a concentration of 5% by weight was prepared and fed to the ultrafiltration membrane of the module at 60° C. so that the transmembrane pressure difference was 200 kPa, and an ultrafiltration membrane having a gel layer was obtained. The transmembrane pressure difference of 200 kPa is four times the critical pressure. Comparative Example 3 showed good results with a gelatin rejection rate T of 86%, while the filtration flux J was 9 LMH.
<比較例4>
製膜例4で得られた支持層を供した以外は実施例1と同様にした。実施例3はろ過フラックスJ=45LMHで良好な結果を示した、一方でゼラチン阻止率T=68%であった。
<Comparative Example 4>
The procedure was the same as in Example 1, except that the support layer obtained in Membrane Formation Example 4 was used. Example 3 showed good results with a filtration flux J of 45 LMH, while the gelatin rejection rate T was 68%.
<比較例5>
製膜例2で得られた中空糸を1.5m長に切り、125℃の加圧熱水に1h浸漬し支持層とした以外は実施例1と同様にした。比較例5はゼラチン阻止率T=100%で良好な結果を示した、一方でろ過フラックスJ<1LMHであった。
<Comparative Example 5>
The hollow fiber obtained in Membrane Example 2 was cut to a length of 1.5 m and immersed in compressed hot water at 125° C. for 1 hour to form a support layer, in the same manner as in Example 1. Comparative Example 5 showed a good result with a gelatin rejection rate T of 100%, while the filtration flux J was less than 1 LMH.
<比較例6>
実施例2と同様にして支持層を準備し、濃度5重量%のコラーゲンペプチド(新田ゼラチン社製コラーゲンプロ)水溶液を調整し、60℃で前記モジュールの限外ろ過膜に膜間差圧160kPaとなるように供給した。膜間差圧160kPaは臨界圧力未満である。ゲル層は形成されなかった。
<Comparative Example 6>
A support layer was prepared in the same manner as in Example 2, and a collagen peptide (Collagen Pro manufactured by Nitta Gelatin Co., Ltd.) aqueous solution with a concentration of 5% by weight was prepared and supplied to the ultrafiltration membrane of the module at 60° C. so that the transmembrane pressure difference was 160 kPa. The transmembrane pressure difference of 160 kPa is less than the critical pressure. No gel layer was formed.
表1および2によれば、純水透過係数が0.10m/h/bar以上0.30m/h/bar以下の限外ろ過膜の例である実施例1~6では、比較例と比して、ろ過フラックスが高く、かつゼラチン阻止率が高かった。ろ過性能と阻止性能の双方を同時に満たすことによってゼラチン溶液を経済的に濃縮可能である。 According to Tables 1 and 2, in Examples 1 to 6, which are examples of ultrafiltration membranes with a pure water permeability coefficient of 0.10 m/h/bar or more and 0.30 m/h/bar or less, the filtration flux was high and the gelatin rejection rate was high compared to the comparative example. By simultaneously satisfying both filtration performance and rejection performance, it is possible to economically concentrate the gelatin solution.
以上の結果から、本発明の一実施態様に係るゲル層が被覆された限外ろ過膜はゼラチン溶液を高濃縮可能な限外ろ過膜であることが分かった。 These results demonstrate that the ultrafiltration membrane coated with a gel layer according to one embodiment of the present invention is an ultrafiltration membrane capable of highly concentrating a gelatin solution.
本発明の限外ろ過膜は、ゼラチンまたはゼラチン濃縮溶液の製造に加え、微生物や培養細胞の培養を伴う発酵分野、医薬分野、又は、食品飲料分野等におけるゼラチン含有原液の濃縮に、好ましく適用される。 The ultrafiltration membrane of the present invention is preferably used for the production of gelatin or concentrated gelatin solutions, as well as for the concentration of gelatin-containing stock solutions in the fermentation field, pharmaceutical field, food and beverage field, etc., which involves the cultivation of microorganisms or cultured cells.
1:容器
2:原液導入口
3:透過液導出口
4:原液導出口
5:限外ろ過膜
6:原液側空間
7:ろ過液側空間
8:第1ポッティング部
9:第2ポッティング部
10:膜モジュール
12:原液タンク
13:ろ過液タンク
14:供給ポンプ
15:恒温水槽
16:細管
21:濃縮液弁
22:ろ過液弁
31:濃縮液流量計
32:ろ過液流量計
41:原液導入圧力計
42:原液導出圧力計
43:ろ過液導出圧力計
44:ろ過液導入圧力計
45:管入口圧力計
46:管出口圧力計
51:原液温度計
1: Container 2: Stock solution inlet 3: Permeate outlet 4: Stock solution outlet 5: Ultrafiltration membrane 6: Stock solution side space 7: Filtrate side space 8: First potting part 9: Second potting part 10: Membrane module 12: Stock solution tank 13: Filtrate tank 14: Supply pump 15: Constant temperature water tank 16: Capillary tube 21: Concentrated solution valve 22: Filtrate valve 31: Concentrated solution flow meter 32: Filtrate flow meter 41: Stock solution introduction pressure gauge 42: Stock solution outlet pressure gauge 43: Filtrate outlet pressure gauge 44: Filtrate introduction pressure gauge 45: Tube inlet pressure gauge 46: Tube outlet pressure gauge 51: Stock solution thermometer
Claims (13)
純水透過係数が0.10m/h/bar以上、0.30m/h/bar以下である、限外ろ過膜。 An ultrafiltration membrane having a gel layer containing gelatin and a support layer containing a thermoplastic resin,
An ultrafiltration membrane having a pure water permeability coefficient of 0.10 m/h/bar or more and 0.30 m/h/bar or less.
前記支持層の重量平均分子量40000のデキストランの阻止率Rが40%以上、80%以下である、
請求項1に記載の限外ろ過膜。 The gel layer has a pure water permeability coefficient of 0.14 m/h/bar or more and 0.38 m/h/bar or less;
The rejection rate R of the dextran having a weight average molecular weight of 40,000 in the support layer is 40% or more and 80% or less.
The ultrafiltration membrane of claim 1.
請求項1または2に記載の限外ろ過膜。 The surface free energy ΔGgel of the gel layer is 50 mJ/ m2 or more and 90 mJ/ m2 or less;
The ultrafiltration membrane according to claim 1 or 2.
請求項1~3のいずれか1項に記載の限外ろ過膜。 The filtration resistivity α of the gel layer is 1×10 13 m/kg or more and 1×10 14 m/kg or less.
The ultrafiltration membrane according to any one of claims 1 to 3.
請求項1~4のいずれか1項に記載の限外ろ過膜。 The support layer is made of a thermoplastic resin containing vinylidene fluoride resin.
The ultrafiltration membrane according to any one of claims 1 to 4.
請求項1~5のいずれか1項に記載の限外ろ過膜。 On the surface of the support layer in contact with the gel layer, the value X obtained by dividing the number of surface pores per unit surface area by the average pore size on the surface is 30 to 100 pores/μm 2 /nm;
The ultrafiltration membrane according to any one of claims 1 to 5.
前記支持層は、前記ゲル層が接する前記一方の面に、長径d1と短径d2とを有する開口部を備え、
前記開口部の長径d1と短径d2との比d1/d2の平均値が1.1以上、1.4以下であり、
前記比d1/d2の標準偏差が0.3以下であり、
前記短径の平均d2aveが5nm以上、15nm以下である、
請求項1~6のいずれか1項に記載の限外ろ過膜。 the gel layer is disposed so as to be in contact with one surface of the support layer;
the support layer has an opening having a major axis d1 and a minor axis d2 on the one surface in contact with the gel layer,
the average value of the ratio d1 / d2 of the major axis d1 to the minor axis d2 of the opening is 1.1 or more and 1.4 or less;
The standard deviation of the ratio d1 / d2 is 0.3 or less;
The average d2ave of the short diameter is 5 nm or more and 15 nm or less.
The ultrafiltration membrane according to any one of claims 1 to 6.
請求項1~7のいずれか1項に記載の限外ろ過膜。 The support layer is a hollow fiber membrane.
The ultrafiltration membrane according to any one of claims 1 to 7.
請求項8に記載の限外ろ過膜。 The surface of the hollow fiber membrane in contact with the gel layer is the outer surface.
The ultrafiltration membrane of claim 8.
前記支持層によって、重量平均分子量Mwが10,000以上、360,000以下を満たすゼラチンを含有するゼラチン溶液を、前記支持層の臨界圧力以上、臨界圧力の4倍以下の膜間差圧でろ過することで前記ゲル層を形成するゲル層形成工程を備える、
限外ろ過膜の製造方法。 A method for producing the ultrafiltration membrane according to any one of claims 1 to 9,
The present invention includes a gel layer forming step of filtering a gelatin solution containing gelatin having a weight average molecular weight Mw of 10,000 or more and 360,000 or less through the support layer at a transmembrane pressure difference of not less than the critical pressure of the support layer and not more than 4 times the critical pressure to form the gel layer.
A method for manufacturing an ultrafiltration membrane.
原液の粘度μfとろ過液の粘度μpの比がμf/μp>1.5であるとき、原液の流速vfとろ過液の流速vpの流速比が0.02≦vp/vf≦0.3となるようにゼラチン溶液をクロスフローろ過する、
請求項10に記載の限外ろ過膜の製造方法。 In the gel layer forming step,
When the ratio of the viscosity μf of the stock solution to the viscosity μp of the filtrate is μf/μp>1.5, the gelatin solution is subjected to cross-flow filtration so that the flow rate ratio of the flow rate vf of the stock solution to the flow rate vp of the filtrate is 0.02≦vp/vf≦0.3.
A method for producing the ultrafiltration membrane according to claim 10.
請求項11または12に記載の限外ろ過膜の製造方法。 In the gel layer forming step, the gelatin concentration of the stock solution is 1 wt % or more and 10 wt % or less.
A method for producing the ultrafiltration membrane according to claim 11 or 12.
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