JP7127201B2 - 親水性多孔質膜および親水性多孔質膜の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、親水性多孔質膜およびその製造方法を提供することを課題とする。特に、本発明の課題は、フィルターカートリッジのろ過膜として使用された際に完全性試験に合格できる親水性多孔質膜であって透水性の高い親水性多孔質膜およびその製造方法を提供することである。
<1>多孔質膜と上記多孔質膜に保持されたヒドロキシアルキルセルロースを含む親水性多孔質膜であって、
上記多孔質膜の両表面どうしで平均孔径が異なっており、
上記親水性多孔質膜の厚み方向に分布する上記ヒドロキシアルキルセルロースはゲルパーミエーションクロマトグラフィで検出強度のピークを2つ以上示し、
上記ピークのうち最も遅く検出されるピークの重量平均分子量Mwminが100,000未満である、上記親水性多孔質膜。
<2>上記親水性多孔質膜を厚み方向に平均孔径がより小さい表面側から均等厚みで2つの部分A、部分Bに分けたとき、
上記部分Bに保持された上記ヒドロキシアルキルセルロースよりも、上記部分Aに保持された上記ヒドロキシアルキルセルロースのゲルパーミエーションクロマトグラフィにおいて、上記の最も遅く検出されるピークの検出強度が大きい、<1>に記載の親水性多孔質膜。
<3>孔径が最小となる層状の緻密部位を内部に有し、
上記緻密部位から上記多孔質膜の少なくとも一方の膜表面に向かって厚み方向で孔径が連続的に増加しており、
上記緻密部位が上記部分Aにある<2>に記載の親水性多孔質膜。
<4>上記緻密部位の平均孔径が0.01~5μmである<3>に記載の親水性多孔質膜。
<5>上記ピークのうち最も早く検出されるピークの重量平均分子量Mwmaxが以下の関係を満たす<1>~<4>のいずれかに記載の親水性多孔質膜;
30,000≦Mwmax/dmax≦130,000
式中、dmaxは上記多孔質膜の平均孔径の大きい側の表面の平均孔径[μm]である。
<7>上記ヒドロキシアルキルセルロースがヒドロキシプロピルセルロースである<1>~<6>のいずれかに記載の親水性多孔質膜。
<8>上記ヒドロキシアルキルセルロースの総質量が上記多孔質膜の総質量に対し0.02~3質量%である<1>~<7>のいずれかに記載の親水性多孔質膜。
<9>多孔質膜と上記多孔質膜に保持されたヒドロキシアルキルセルロースを含む親水性多孔質膜の製造方法であって、
両表面において平均孔径が異なる上記多孔質膜を用意すること、
上記多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布すること、および
上記多孔質膜の平均孔径がより小さい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布することを含む、上記製造方法。
<10>多孔質膜と上記多孔質膜に保持されたヒドロキシアルキルセルロースを含む親水性多孔質膜の製造方法であって、
両表面において平均孔径が異なる上記多孔質膜を用意すること、および
上記多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布し、その後、同じ表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布することを含む、上記製造方法。
<11>より小さい上記重量平均分子量が100,000未満である<9>または<10>に記載の製造方法。
<12>上記ヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液のヒドロキシアルキルセルロース濃度がいずれも0.005~0.5質量%である<9>~<11>のいずれかに記載の製造方法。
本明細書において「~」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本明細書において、親水性多孔質膜は基材となる多孔質膜が親水化されている膜を意味する。親水性多孔質膜は、基材となる多孔質膜に対し、ヒドロキシアルキルセルロースを保持することにより親水性が増している膜を指し、基材となる多孔質膜が完全に疎水性であることを意味するものではない。
親水性多孔質膜は、複数の細孔を有する膜である。孔は例えば膜断面の走査型電子顕微鏡(SEM)撮影画像または透過型電子顕微鏡(TEM)撮影画像で確認することができる。
多孔質膜に保持されたとは、親水性多孔質膜の保存時や使用時に容易に剥離しない程度に多孔質膜に結合していることを意味する。多孔質膜とヒドロキシアルキルセルロースとは例えば疎水性相互作用により互いに結合していてもよい。
(多孔質膜の構造)
本明細書において、多孔質膜は親水性多孔質膜の基材となる膜である。
多孔質膜は複数の細孔を有する膜をいう。細孔は、例えば膜断面の走査型電子顕微鏡(SEM)撮影画像または透過型電子顕微鏡(TEM)撮影画像で確認することができる。
なお、親水性多孔質膜の平均孔径は、ヒドロキシアルキルセルロースを保持していることにより、基材の多孔質膜の孔径より小さくなっていてもよいが、通常、多孔質膜の孔径と同じであると近似できる。
緻密部位の平均孔径は多孔質膜の最小孔径に該当する。多孔質膜の最小孔径はASTM F316-86により測定することもできる。
多孔質膜の最小孔径は、ろ過対象物の大きさに応じて適宜選択することができる。
平均孔径が最大となる区分は膜のいずれかの表面にもっとも近い区分またはその区分に接する区分であることが好ましい。
なお、親水性多孔質膜の厚みは、ヒドロキシアルキルセルロースを保持していることにより、基材の多孔質膜の厚みより大きくなっていてもよいが、通常、基材の多孔質膜の厚みとほぼ同じとなる。
多孔質膜はポリマーを含む。多孔質膜は本質的にポリマーから構成されていることが好ましい。ポリマーは数平均分子量(Mn)が1,000~10,000,000であるものが好ましく、5,000~1,000,000であるものがより好ましい。
これらのうち、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、PVDF,スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、6,6-ナイロン、セルロースアシレートが好ましく、ポリスルホンがより好ましい。
上記添加剤としては、食塩、塩化リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硫酸ナトリウム、塩化亜鉛等の無機酸の金属塩、酢酸ナトリウム、ギ酸ナトリウム等の有機酸の金属塩、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン等の高分子、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド等の高分子電解質、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム、アルキルメチルタウリン酸ナトリウム等のイオン系界面活性剤等を挙げることができる。添加剤は多孔質構造のための膨潤剤として作用していてもよい。
多孔質膜の製造方法については、特開昭63-141610号公報、特開平4-349927号公報、特公平4-68966号公報、特開平04-351645号公報、特開2010-235808号公報等を参照することができる。
多孔質膜としては市販品を使用してもよい。例えば、スミライトFS-1300(住友ベークライト社製)、マイクロPES 1FPH(メンブラーナ社製)、Astropore(ポリスルホン膜、富士フイルム株式会社製)、Durapore(PVDF膜、メルクミリポア(Merkmillipore)社製)、Sartopore(PES膜、Sartorius社製)等が挙げられる。
本発明の親水性多孔質膜におけるヒドロキシアルキルセルロースは、多孔質膜を親水化する親水性ポリマーである。
ヒドロキシアルキルセルロースのセルロース骨格の疎水性が基材である多孔質膜との疎水性相互作用に寄与し、多孔質膜に保持させると同時に、ヒドロキシアルキルセルロースの側鎖のヒドロキシ基やヒドロキシプロピル基により多孔質膜に親水性を付与することができる。また、ヒドロキシアルキルセルロースは分子間力が高いため、分子が親水性多孔質膜中で強固に相互作用し、その形態を保持することができると推測される。
さらに、ヒドロキシアルキルセルロースは食品添加物として使用できる成分であるため、フィルターカートリッジ作製後に洗い流す必要がない。そのため、工程負荷が少なく、かつ、安全な親水性多孔質膜を得ることができる。
30,000≦Mwmax/dmax≦130,000
さらに、以下を満たすことがより好ましい。
80,000≦Mwmax/dmax≦110,000
親水性多孔質膜は基材である多孔質膜にヒドロキシアルキルセルロースによる親水化処理を行うことにより製造することができる。具体的には、ヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を多孔質膜に浸透させることにより製造することができる。親水化された多孔質膜に、さらに洗浄処理、滅菌処理等を行ってもよい。
親水化液はヒドロキシアルキルセルロースを含む溶液として調製すればよい。溶媒は、水または水に混和する性質を持つ溶媒であれば、特に限定されない。溶媒は、水と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。水と有機溶媒との混合溶媒を用いる場合、その有機溶媒は少なくとも1種類以上の低級アルコールであることが好ましい。低級アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等の炭素数が5以下のアルコールが挙げられる。有機溶媒としては、メタノール、エタノール、またはイソプロパノールがより好ましく、エタノールがさらに好ましい。親水化液の溶媒は水であることが特に好ましい。
多孔質膜への親水化液の浸透方法は、特に限定されないが、例えば、浸漬法、塗布法、転写法、噴霧法等が挙げられる。浸透は、少なくとも親水化を行う部位において、多孔質膜の厚み方向全体に親水化液が浸透するように行うことが好ましい。これらのうち、浸漬法または塗布法が好ましい。多孔質膜内部まで親水化液を効率よく浸透させることができるからである。多孔質膜への親水化液の浸透方法としては、塗布法がより好ましい。多孔質膜内部まで孔径に適したヒドロキシアルキルセルロースを効率よく浸透させることができるからである。
手順1(両面塗布)
多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布し、かつ平均孔径がより小さい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布する。
手順2(逐次塗布)
多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロース溶液を塗布し、その後、同じ表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロース溶液を塗布する。
浸漬は加圧下で行ってもよい。加圧により多孔質膜の各細孔内に効率よく親水化液を注入することができる。
多孔質膜の親水化液中への浸漬時間や親水化液中のヒドロキシアルキルセルロース濃度によってヒドロキシアルキルセルロースの付着量を適宜調節することができる。
多孔質膜への親水化液の浸透後、乾燥により親水化液中の溶媒を揮発除去することが好ましい。乾燥の手段としては、加温乾燥、風乾燥、および減圧乾燥等が挙げられ、特に限定されないが、製造工程の簡便性から風乾燥または加温乾燥が好ましい。乾燥は、単に放置することにより達成されてもよい。
上記乾燥の後は、洗浄溶媒を用いた洗浄を行うことが好ましい。過剰のヒドロキシアルキルセルロースなどを除去することができるからである。また、洗浄により、原料の多孔質膜に含まれる不要な成分も除去することができる。洗浄方法は特に限定されないが、浸漬あるいは圧入法で親水性多孔質膜の膜表面および細孔表面に洗浄溶媒を浸透させ、その後、除去すればよい。洗浄溶媒としては、親水化液の溶媒として例示した溶媒を例示することができる。2回以上洗浄溶媒の浸透および除去を行ってもよい。このとき2回以上の洗浄において洗浄溶媒は同じであってもよく、異なっていてもよいが、異なっていることが好ましい。洗浄の最後に用いられる洗浄溶媒は水であることが好ましい。特に水に浸漬することが好ましい。アルコールなど有機溶媒成分を除くためである。
洗浄後の親水性多孔質膜は上述の手順で再度乾燥させればよい。
親水性多孔質膜の滅菌処理として、例えば、高圧蒸気滅菌処理を行うことができる。特にオートクレーブを用いた高温高圧の水蒸気による処理を行うことが好ましい。通常、プラスチックに対する高圧蒸気滅菌処理は、飽和水蒸気によって加圧され110~140℃程度の環境下で10~30分間処理することによって行われるが、本発明の親水性多孔質膜の滅菌処理も同様の条件で行うことができる。滅菌処理に用いられるオートクレーブとしては、例えば、株式会社トミー精工製のSS325が挙げられる。
本発明の親水性多孔質膜はろ過膜として各種用途で使用することができる。ろ過膜は、種々の高分子、微生物、酵母、微粒子を含有あるいは懸濁する液体の分離、精製、回収、濃縮などに適用され、特にろ過を必要とする微細な微粒子を含有する液体からその微粒子を分離する必要のある場合に適用することができる。例えば、微粒子を含有する各種の懸濁液、発酵液あるいは培養液などの他、顔料の懸濁液などから微粒子を分離するときにろ過膜を使用することができる。本発明の親水性多孔質膜は、具体的には、製薬工業における薬剤の製造、食品工業におけるビールなどのアルコール飲料製造、電子工業分野での微細な加工、精製水の製造などにおいて必要となる精密ろ過膜として使用することができる。
長尺の親水性多孔質膜を短辺(幅)方向で折り目がつくようにプリーツ加工する。例えば、通常2枚の膜サポートの間に挟んで、公知の方法でプリーツ加工することができる。膜サポートとしては不織布、織布、ネットなどを使用すればよい。膜サポートは、ろ過圧変動に対してろ過膜を補強すると同時に、ひだの奥に液を導入するために機能する。プリーツひだの幅は例えば5mmから25mmであればよい。プリーツ加工した親水性多孔質膜は円筒状に丸め、その合わせ目をシールすればよい。
なお、親水性多孔質膜におけるヒドロキシアルキルセルロースは、フィルターカートリッジにおいて、一部または全てが洗浄工程等で用いられる溶剤に溶解して除去されていてもよい。
ヒドロキシプロピルセルロースについては日本曹達(株)製のNISSO HPC Hグレード(分子量100万)、Mグレード(分子量70万)、SLグレード(分子量10万)そしてSSLグレード(分子量4万)を用いた。ヒドロキシエチルセルロースについては三晶(株)製のSANHEC Mグレード(分子量72万)、Lグレード(分子量9万)を用いた。上記のいずれかを純水中に表1に記載の質量%濃度になるように加え、完全に溶解するまで撹拌した。また、表1中、実施例1および比較例1においては、上記のうちのいずれか2種のグレードを混合して用いているが、2種のグレードは質量比で1:1で混合し、表に記載の濃度は混合物の濃度である。
表1に記載の多孔質膜を用い、表1に記載の手順で各実施例、比較例の親水性多孔質膜を作製した。
表1において、PSFは富士フイルム株式会社製のポリスルホン膜PSE20である。PSE20は最小孔径0.2μm、最大孔径(平均孔径が大きい表面の平均孔径:dmax)7μm、厚み140μmであり、孔径分布を非対称に有する構造を有する。断面図を図1に示す。PSF2は特開平9-227714号公報の実施例1を参考に製膜した。最小孔径2μm、最大孔径(平均孔径が大きい表面の平均孔径:dmax)20μm、厚み180μmであり、孔径分布を非対称に有する構造を有する。PESは3M社製のポリエーテルスルホン膜メンブラーナ TM200であり、最小孔径0.3μm、最大孔径(平均孔径が大きい表面の平均孔径:dmax)10μm、厚み140μmであり、孔径分布を非対称に有する構造を有する。
ヒドロキシアルキルセルロースは表1に記載の手順で多孔質膜に浸透させた。表1に記載の手順は以下の通りである。なお、塗布はいずれもギーサーを用いて行った。
両面塗布(大大小小):多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布し、かつ平均孔径がより小さい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布した。
両面塗布(大小小大):多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布し、かつ平均孔径がより小さい表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液塗布した。
逐次塗布(小大):多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布し、その後、同じ表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布した。
逐次塗布(大小):多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布し、その後、同じ表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布した。
乾燥後の各親水性多孔質膜について、過剰なヒドロキシアルキルセルロースを除去するため25℃純水に5分間浸漬して洗浄を実施した。その後、70℃の温度環境下で24時間乾燥させた。
各親水性多孔質膜を10cm×10cmに切断し、これをDMF(N,N-ジメチルホルムアミド)に溶解した。溶解した液を凍結乾燥したのちに、乾燥物を下記溶離液に溶解し、膜中のヒドロキシアルキルセルロースの重量平均分子量の評価を行った。
重量平均分子量はGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)にて評価した。条件は下記の通りである。
・分子量マーカーにプルラン(P-82)を使用
・装置:HLC-8320GPC EcoSEC(東ソー(株))
・カラム:OHpak KB-805 HQ(7.8mmI.D.×30cm)
・カラム:OHpak KB-804 HQ(7.8mmI.D.×30cm)
・カラム:OHpak SB-803 HQ(7.8mmI.D.×30cm)
・溶離液:0.1M NaNO3
・カラム温度:40℃
観測されたピーク数と最も早く観測されたピークと最も遅く観測されたピークとの重量平均分子量(Mwmax、Mwmin)を表1に示す。
多孔質膜を1cm四方に5枚切り出し、質量を測定したのち、1mlのメタノールに30分間浸漬した。この液をLiquid Chromatograph/Charged Aerosol Detector(LC/CAD)にて評価した。条件は下記の通りである。
・標品:メタノールにヒドロキシアルキルセルロースを所定量溶解させた溶液(20/50/100ppm)
・装置:Waters社製ACQUITY UPLC H-Class
・カラム:Presto FF‐C18 150×4.6mm
・検出器:CAD(Thermo Fisher Scientific 製Corona Ultra RS)
・溶離液:A液…水、B液…アセトニトリル
・溶離条件:5-90%B(0-15min)、0.4ml/min、37℃
上記条件で測定したときに保持時間8.5~12.5分に検出されるヒドロキシアルキルセルロースピークの標品で得られるピークとの面積比を用いて多孔質膜中のヒドロキシアルキルセルロース量[膜中HAC含有量(質量%)]を算出した。
各親水性多孔質膜を20cm×20cmで2枚切断した。これらを多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側、平均孔径がより小さい表面側からそれぞれ厚み方向で中央まで削り取り、それぞれDMFに溶解して、溶出されたヒドロキシアルキルセルロースの重量平均分子量の評価を行った。最も検出時間の遅いピークの検出強度がより大きかった側の部分を(部分A:平均孔径がより小さい表面側;部分B:平均孔径がより大きい表面側)確認した。いずれも同じだった場合は、表1において「均等」とした。
親水化処理をした膜で濾過フィルターカートリッジ(10インチ)を作製し、8L/minで200s通水した後、水を抜いた。続いて1次面側から150kPaの空気圧をかけ、濾過フィルターカートリッジを通過してくる空気の量を測定し、30mL/min以下なら合格、これより大きければ不合格とした。
透水性は、親水化処理した多孔質膜に100kPaの圧力をかけ純水を透過させたときの透水性で評価した。単位面積当たり、1分間に膜を通って流れ出た水の体積を測定し透水性(mL/min/cm2)とした。
Claims (12)
- 多孔質膜と前記多孔質膜に保持されたヒドロキシアルキルセルロースを含む親水性多孔質膜であって、
前記多孔質膜の両表面どうしで平均孔径が異なっており、
前記親水性多孔質膜の厚み方向に分布する前記ヒドロキシアルキルセルロースはゲルパーミエーションクロマトグラフィで検出強度のピークを2つ以上示し、
前記ピークのうち最も遅く検出されるピークの重量平均分子量Mwminが100,000未満である、前記親水性多孔質膜。 - 前記親水性多孔質膜を厚み方向に平均孔径がより小さい表面側から均等厚みで2つの部分A、部分Bに分けたとき、
前記部分Bに保持された前記ヒドロキシアルキルセルロースよりも、前記部分Aに保持された前記ヒドロキシアルキルセルロースのゲルパーミエーションクロマトグラフィにおいて、前記の最も遅く検出されるピークの検出強度が大きい、請求項1に記載の親水性多孔質膜。 - 孔径が最小となる層状の緻密部位を内部に有し、
前記緻密部位から前記多孔質膜の少なくとも一方の膜表面に向かって厚み方向で孔径が連続的に増加しており、
前記緻密部位が前記部分Aにある請求項2に記載の親水性多孔質膜。 - 前記緻密部位の平均孔径が0.01~5μmである請求項3に記載の親水性多孔質膜。
- 前記ピークのうち最も早く検出されるピークの重量平均分子量Mwmaxが以下の関係を満たす請求項1~4のいずれか一項に記載の親水性多孔質膜;
30,000≦Mwmax/dmax≦130,000
式中、dmaxは前記多孔質膜の平均孔径の大きい側の表面の平均孔径[μm]である。 - 前記多孔質膜がポリエーテルスルホンまたはポリスルホンを含む請求項1~5のいずれか一項に記載の親水性多孔質膜。
- 前記ヒドロキシアルキルセルロースがヒドロキシプロピルセルロースである請求項1~6のいずれか一項に記載の親水性多孔質膜。
- 前記ヒドロキシアルキルセルロースの総質量が前記多孔質膜の総質量に対し0.02~3質量%である請求項1~7のいずれか一項に記載の親水性多孔質膜。
- 多孔質膜と前記多孔質膜に保持されたヒドロキシアルキルセルロースを含む親水性多孔質膜の製造方法であって、
両表面において平均孔径が異なる前記多孔質膜を用意すること、
前記多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布すること、および
前記多孔質膜の平均孔径がより小さい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布することを含む、前記製造方法。 - 多孔質膜と前記多孔質膜に保持されたヒドロキシアルキルセルロースを含む親水性多孔質膜の製造方法であって、
両表面において平均孔径が異なる前記多孔質膜を用意すること、および
前記多孔質膜の平均孔径がより大きい表面側に重量平均分子量のより小さいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布し、その後、同じ表面側に重量平均分子量のより大きいヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液を塗布することを含む、前記製造方法。 - より小さい前記重量平均分子量が100,000未満である請求項9または10に記載の製造方法。
- 前記ヒドロキシアルキルセルロースを含む親水化液のヒドロキシアルキルセルロース濃度がいずれも0.005~0.5質量%である請求項9~11のいずれか一項に記載の製造方法。
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