(57)【要約】【課題】有機生体材料に低結合している、水性溶剤混合物、又は配合物を含む水溶液中で満足な流束で稼働できる溶剤安定セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンを製造する。【解決手段】双極性非プロトン性溶媒、水溶液、及び水と有機溶剤の混合物を含む有機溶剤から溶質を濾過できる架橋セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンを提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性有機溶媒中で稼働できる架橋セルロースを含むことを特徴とする、親水ナノフィルトレーション・メンブレン。
【請求項２】
前記極性有機溶媒が双極性非プロトン性溶媒である、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項３】
前記極性有機溶媒が、極性有機溶媒の水性混合物を含む、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項４】
前記双極性非プロトン性溶媒が、双極性非プロトン性溶媒の水性混合物を含む、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項５】
双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる架橋セルロースを含むナノフィルトレーション・メンブレンであって、前記メンブレンは、親水メンブレンを提供するために、充分なヒドロキシル基が未反応のまま残される条件で、アンヒドログルコース・ユニット中でヒドロキシル基を通して多機能架橋試薬と反応するセルロース限外ろ過メンブレンを含むことを特徴とする、ナノフィルトレーション・メンブレン。
【請求項６】
有機溶剤溶液から約４００ドルトンより大きな有機溶質を除去するのに適した、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる架橋セルロースを含むことを特徴とする、親水ナノフィルトレーション・メンブレン。
【請求項７】
その表面に化学結合した負の表面電荷を更に含む、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項８】
その表面に化学結合した負の表面電荷を更に含む、請求項５に記載のメンブレン。
【請求項９】
その表面に化学結合した負の表面電荷を更に含む、請求項６に記載のメンブレン。
【請求項１０】
その表面に化学結合した正の表面電荷を更に含む、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項１１】
その表面に化学結合した正の表面電荷を更に含む、請求項５に記載のメンブレン。
【請求項１２】
その表面に化学結合した正の表面電荷を更に含む、請求項６に記載のメンブレン。
【請求項１３】
有機−水性、又は水性−有機溶剤溶液から有機溶質を除去するための方法であって、溶液に親水架橋セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンを通過させることを含み、前記メンブレンは、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できるセルロース限外ろ過メンブレンを含む方法。
【請求項１４】
有機−水性、又は水性−有機溶剤溶液から有機溶質を除去するための方法であって、溶液に架橋セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンを通過させることを含み、前記メンブレンは、親水メンブレンを提供するために、充分なヒドロキシル基が未反応のまま残される条件で、双極性非プロトン性溶媒中で稼働でき、アンヒドログルコース・ユニット中でヒドロキシル基を通して多機能架橋試薬と反応するセルロース限外ろ過メンブレンを含む方法。
【請求項１５】
前記メンブレンが支持層を有する、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項１６】
前記メンブレンが支持層を有する、請求項５に記載のメンブレン。
【請求項１７】
前記メンブレンが支持層を有する、請求項６に記載のメンブレン。
【請求項１８】
前記メンブレンが、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる支持層を有する、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項１９】
前記メンブレンが、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる支持層を有する、請求項５に記載のメンブレン。
【請求項２０】
前記メンブレンが、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる支持層を有する、請求項６に記載のメンブレン。
【請求項２１】
前記メンブレンが、微孔性メンブレンで形成された支持層を有する、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項２２】
前記メンブレンが、微孔性メンブレンで形成された支持層を有する、請求項５に記載のメンブレン。
【請求項２３】
前記メンブレンが、微孔性メンブレンで形成された支持層を有する、請求項６に記載のメンブレン。
【請求項２４】
前記メンブレンが、微孔性メンブレンで形成された支持層を有し、前記微孔性メンブレンが、超高分子量ポリエチレンから成る、請求項１に記載のメンブレン。
【請求項２５】
前記メンブレンが、微孔性メンブレンで形成された支持層を有し、前記微孔性メンブレンが、超高分子量ポリエチレンから成る、請求項５に記載のメンブレン。
【請求項２６】
前記メンブレンが、微孔性メンブレンで形成された支持層を有し、前記微孔性メンブレンが、超高分子量ポリエチレンから成る、請求項６に記載のメンブレン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本願は、2006年08月11日に出願の米国特許仮出願第60/837,381号の利益を主張し、その全体を参照する。
本発明は、耐溶剤性メンブレン、及びその製造方法に関する。更に詳細には、溶剤ナノフィルトレーション・メンブレン、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノフィルトレーション（ＮＦ）メンブレンは、限外ろ過と逆浸透の間の範囲の特性を保持してきた。ナノフィルトレーション・メンブレンは、多価イオン、及び約２００〜１０００ドルトンの分子量範囲にある小さな有機分子を除去するために使用される。有機小分子を除去する機能は、製薬産業における用途に対する大きな興味をもたらした。特に、合成抗生物質、及びペプチドのような小分子を有機溶液から分離する有機溶剤流の中の操作に興味がある。これらのタイプの用途では、高い透過性が経済的なオペレーションのために必要である。
【０００３】
双極性非プロトン性溶媒のような極性有機溶媒、特にＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、及びジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）のような溶剤が、調合薬、及び農薬（例えば、ピレスロイド殺虫剤）を製造する化学反応のための溶剤、又は媒質として使用される。これらの強力な溶剤は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、又はポリビニリデン弗化ポリマーから製造される、一般に使用される高分子メンブレン・フィルタに著しい損害をもたらす。
【０００４】
多くの用途で、溶剤の水性混合物と、又は水溶液ベースの溶液、及び溶剤の両方と順次に稼働させることは、メンブレンに対して有益である。その種の使用に対して、水溶液に対して非常に低い透過性ので、疎水性メンブレンは有益ではない。疎水性ＮＦメンブレンの低い水透過性が、「Advances in Solvent-Resistant Nanofiltration Membranes」(Ann. N.Y. Acad.Sci. 984 159-177 2003)に示される。
【０００５】
これらのメンブレンのための一般的用途は、結晶化ステップの前に有機溶液、又は水性／有機溶液中で製品を濃縮することである。他の用途では、プロセス・オペレータは、ダイアフィルトレーションによって低分子量不純物、及び低分子量塩を除去することができ、ダイアフィルトレーションは、蒸発ステップと一緒に行うことができない。また、オペレータは、このタイプのフィルトレーション・プロセスの間に溶剤を交換することもできる。有機溶液のナノフィルトレーション真空瞬間蒸発器、又はロトバップを交換でき、更に低い資本コスト・プロセスを提供する。
【０００６】
ペプチド、及び他の低分子量有機溶質の処理では、拘束力のないメンブレンの能力は重要な属性である。メンブレンに結合した溶質は透過性を低下させ、溶質を不可逆的に保持することによって生産高を減少させる。セルロースは、そのような分子に対して非常に低い結合面を有するとして既知であり、疎水性ＮＦメンブレン、及び一般的なポリアミドＮＦメンブレンは高結合として既知である。
【０００７】
セルロースは溶剤安定で、二硫化炭素、及びジメチルアセトアミドと塩化リチウムの溶液のような強い溶剤にだけ溶ける。交差結合されるとき、セルロースは更に小さな膨張傾向を有し、従って、溶剤安定ＮＦメンブレンに対する良い候補である。今日まで、セルロースからの多孔性ＮＦメンブレンの製造に含まれる困難のために、商用メンブレンは製造されてこなかった。
【０００８】
Rendall は、米国特許第3,864,289号で、セルロース・メンブレン材料、セルロース架橋剤、及び遮断剤を含む調合物からのセルロース半透性メンブレンの準備のためのプロセスを記載する。「遮断剤」の使用は望ましくない。何故なら、遮断剤は不必要な複雑さをプロセスに加え、追加の化学変化をメンブレン材料の性質に加えるからである。また、その種の遮断剤は、精製された透過物を汚染し得る望ましくない抽出可能な材料を加え得る。
【０００９】
Wan は、米国特許第4,853,129号で、脱ろう油からケトン脱ろう溶剤のような有機液体を分離するための再生セルロース・メンブレン記載する。再生セルロース・メンブレンを二価性試薬と反応させることは、有機液体分離用途においてメンブレンの選択性の向上をもたらす。 Wan は、プロセスもメンブレンの親水性を減少させるために役立つこと、及び架橋剤の使用によって、反応後に未反応のヒドロキシ基は残らず、架橋剤によってヒドロキシ基も導入されないことを示す。その種のメンブレンは、水溶液、又は適当な量の水を有する溶液との使用に適さない。
【００１０】
Wan 特許のメンブレンは、約３００〜６００ドルトンの範囲の分子量に対して、５５％〜９０％の除去率値を有する（米国特許第4,510,047号からの分子量データ）。これらの除去率は、製薬業者の高付加価値製品に適さない。
【００１１】
Beer 他は、米国特許第5,739,316号で、水和セルロース・メンブレンを水溶性ジエポキシドの水性アルカリ溶液と接触させることを含む、架橋水和セルロース限外ろ過メンブレンを製造するためのプロセスを主張する。水溶性ジエポキシドに限定した上に、 Beer は、反応における有機溶剤の使用が技術的に困難、及び高価であることに反対する。更に、 Beer は、彼の発明の目的を、メンブレンの高流束を変更しないプロセスであると述べる。これは、その様に製造されたメンブレンが、初期限外ろ過メンブレンからの除去率を増加させなかったことを意味する。
【００１２】
Charkoudian は、米国特許出願第11/199491号、及び第10/414988号で、メンブレンの限外ろ過構造を保持する架橋され充填されたセルロース限外ろ過メンブレンを教示する。
【００１３】
米国特許第6,113,794号は、非架橋エチレン不飽和ニトリルポリマー、及び２０，０００〜２，０００，０００の分子量を有し、１．５〜２．５％ｗ／ｗのポリマーを含む水溶液から形成される反応性官能基を含む架橋親水ポリマーの多孔性被覆から形成される基材限外ろ過メンブレンを含むナノフィルトレーション複合メンブレンを記載する。米国特許第6,113,794号は、架橋される前に完全に乾燥される、キトサン被覆されたメンブレンに向けられる。これは、多孔性メンブレンよりも密度の高いフィルムを生成する。
【００１４】
米国特許第6,113,794号は、Ｎ−メチルピロリドン、又はジメチルアセトアミドのような双極性非プロトン性溶媒と一緒に使用できない。何故ならば、その種の溶剤は支持層を溶解し、複合メンブレンを破壊するからである。
【００１５】
Guo 他は、「Chinese Chemical Letters, Vol 5, (10) pp 869-872 1994」で、大孔セルロース・メンブレンを塩化エポキシルプロパン（エピクロロヒドリン）のＤＭＳＯ水性アルカリ溶液と架橋することについて報告する。これらのメンブレンは、親和力分離のために使用された。その種の大孔メンブレンは小分子分離に適しておらず、限外ろ過メンブレン、又はＮＦメンブレンの製造に使用される方法を教示しない。
【００１６】
複数の特許出願、及び記事が、ＧＫＳＳ研究センターと主に関連する著者達によって発行されてきた。これらの全ては、同じ技術に基づくようである。この方法(WO97/20622)は、基材メンブレンを、ヒドロキシエチルセルロース、又はヒドロキシプロピルセルロースのようなセルロース−ヒドロキシエーテルの低固体溶液で被覆し、次に被覆を水不溶性の点に対するジアルデヒドが好ましいアルデヒドで架橋する。「JAOCS Vol 76#1, pp83-87 1999」の記事では、 Zwijnenberg 他が、「セルロース型最上層」を有する複合メンブレンを使用する、アセトン中の植物性油脂のナノフィルトレーションについて報告している。「Membrane Technology #107 pp5-8 1999」では、 Ebert 他が、セルロース型メンブレンの性能が架橋状態によって影響される「セルロース型」メンブレンを用いる、溶剤中の植物性油脂のナノフィルトレーションについて報告している。セルロースに類似した材料を記載している著者達の参考文献によっても分かるように、セルロースヒドロキシエーテルは、再生セルロースからの異なるクラスの材料である。セルロースヒドロキシエーテルは水溶性であり、オペレーション中には再生セルロース・メンブレンとは異なる振る舞いをすると期待できる。セルロースヒドロキシエーテルから製造されたメンブレンは低密度層から形成され、相分離法によって製造された再生セルロースとは異なる構造を有する。
【００１７】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／８３７３８１号明細書
【特許文献２】米国特許第３８６４２８９号明細書
【特許文献３】米国特許第４８５３１２９号明細書
【特許文献４】米国特許第４５１００４７号明細書
【特許文献５】米国特許第５７３９３１６号明細書
【特許文献６】米国特許出願第１１／１９９４９１号明細書
【特許文献７】米国特許出願第１０／４１４９８８号明細書
【特許文献８】米国特許第６１１３７９４号明細書
【特許文献９】米国特許第５５２２９９１号明細書
【特許文献１０】米国特許第４７７８６０１号明細書
【特許文献１１】米国特許第５５２２６０１号明細書
【特許文献１２】米国特許第４６０４３２６号明細書
【非特許文献１】Advances in Solvent-Resistant Nanofiltration Membranes (Ann. N.Y. Acad.Sci. 984 159-177 2003)
【非特許文献２】Chinese Chemical Letters, Vol 5, (10) pp 869-872 1994
【非特許文献３】JAOCS Vol 76#1, pp83-87 1999
【非特許文献４】Membrane Technology #107 pp5-8 1999
【非特許文献５】Separation Science and Technology 16(3) p275-390 (1981)
【非特許文献６】Chromatography 28 p69-81 (1967)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の発明者は、多孔性限外ろ過メンブレンを前駆物質として使用すること、及びメンブレンの充分な親水性を維持するように反応条件を注意深く制御することによって、それらは、有機生体材料に低結合もしている、水性溶剤混合物、又は配合物を含む水溶液中で満足な流束で稼働できる溶剤安定セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンを製造できることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、双極性非プロトン性溶媒、水溶液、及び水と有機溶剤の混合物を含む有機溶剤から溶質を濾過できる架橋セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンである。
【００２０】
メンブレンは、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる予め形成された多孔性支持体を得ること、前記支持体上にセルロース限外ろ過メンブレンを形成すること、及び約２００ドルトンより大きな溶質を保持できる合成ナノフィルトレーション・メンブレンを提供するように、制御された方法でセルロース・メンブレンを架橋することを含む。
【００２１】
メンブレンの好ましい実施例は、支持体として双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる微孔性メンブレンを有する。更に好ましい実施例は、支持体として超高分子量ポリエチレンから製造された微孔性メンブレン支持体を有する。
【００２２】
実施例では、セルロース限外ろ過前駆物質メンブレンは、約５０００ドルトンより小さな分子量カットオフを有する。
【００２３】
実施例では、ナノフィルトレーション・メンブレンは、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる架橋セルロースを含む親水ナノフィルトレーション・メンブレンを含む。
【００２４】
実施例では、ナノフィルトレーション・メンブレンは、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる架橋セルロースを含み、前記メンブレンは、親水メンブレンを提供するために、充分なヒドロキシル基が未反応のまま残され、合成フィルタがナノフィルタである条件で、グルコース・ユニット中でヒドロキシル基を通して多機能架橋試薬と反応するセルロース限外ろ過メンブレンを含む。
【００２５】
実施例では、ナノフィルトレーション・メンブレンは、有機溶剤溶液から約４００ドルトンより大きな有機溶質を除去するのに適した、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できる架橋セルロースを含む親水ナノフィルトレーション・メンブレンを含む。
【００２６】
実施例では、本発明は、有機−水性、又は水性−有機溶剤溶液から有機溶質を除去するための方法を含み、溶液に親水架橋セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンを通過させることを含み、前記メンブレンは、双極性非プロトン性溶媒中で稼働できるセルロース限外ろ過メンブレンを含む。
【００２７】
実施例では、本発明は、有機−水性、又は水性−有機溶剤溶液から有機溶質を除去するための方法を含み、溶液に架橋セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンを通過させることを含み、前記メンブレンは、親水メンブレンを提供するために、充分なヒドロキシル基が未反応のまま残され、合成フィルタがナノフィルタである条件で、双極性非プロトン性溶媒中で稼働でき、グルコース・ユニット中でヒドロキシル基を通して多機能架橋試薬と反応するセルロース限外ろ過前駆物質メンブレンを含む。
【００２８】
実施例では、架橋セルロース・ナノフィルトレーション・メンブレンは、制御された量の負、又は正の電荷を有する。メンブレンの内面、及び外面に加えられた電荷は、類似の荷電された分子の向上した保持力を提供するために示されてきた。
【発明の効果】
【００２９】
メンブレンは、一方の側の面が高圧供給側で、メンブレンの他の側が低圧透過流であるように、渦巻状モジュール、ひだカートリッジ、プレート／フレーム型カセット、又は他の装置のような圧力維持装置の中でメンブレンを封止することによって、供給液から約２００ｋＤ〜１０００ｋＤの有機溶質、又は無機溶質を除去、又は濃縮するために使用される。加圧された供給液流はメンブレンのセルロース側に導入され、透過液がメンブレンの低圧下流側から集められる。約２００ｋＤより大きな溶質はメンブレンの上流側で保持（阻止）される。溶剤のような更に低分子量の溶質は、メンブレンを通過する。加えて、塩、及びイオンのような他の低分子量の溶質も、ナノフィルタ・メンブレンを通過して、溶質の同時脱塩を提供する。
【００３０】
用途の中には、所望する溶質の濃縮の後、溶剤を変更するために、１又は複数の他の溶質が上流側に加えられるものもある。また、元の溶液で使用される種類の純粋な溶剤は、元の供給と比較して純粋な溶液を生成するために濃縮された溶質に加えられ、今や、メンブレンの通過によって、低分子量不純物は除去された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明のナノフィルトレーション・メンブレンは、支持層と一体化することが好ましい架橋セルロース・メンブレンを含む。セルロース・メンブレンは、（本明細書で参照される）米国特許第5,522,991号のプロセスによって製造されることが好ましいセルロース限外ろ過メンブレンから製造される。架橋反応によって起こるメンブレンにおける変化は、主にサイズによって分離する（限外ろ過）メンブレンから、多孔性材料と溶質の間の他の相互作用が、溶質の除去率において重要な役割を演じるメンブレンまでである。ナノフィルトレーションにおいて、複数の孔への溶質の入口に保持される溶質分子に掛かる力、又はメンブレンの多孔性による移動は、メンブレン材料の性質、及び多孔性表面に対する溶質の親密性に由来する。複数の孔の中の溶質、及び溶剤への電荷、及び誘電定数効果は、複数の孔を通る移動に、限外ろ過メンブレンの更に大きな複数の孔の中に存在しない方法で影響する。従って、本発明のプロセスによってナノフィルトレーション・メンブレンを製造するとき、溶質−メンブレン材料相互作用が重要であり、サイズだけによる除去が唯一の機構ではない多孔性構造を得るために、孔のサイズが減少させられた。
【００３２】
本発明に適した支持体は、双極性非プロトン性溶媒（例えば、ＤＭＳＯ，ＤＭＦ，ＮＭＰ）中で稼働できるポリエチレン、ポリプロピレン、又はポリエーテル−エーテルケトン（ＰＥＥＫ）のようなポリマーから製造できる。支持体は、流れ、機械的強度、及び有機溶剤による膨張、又は溶解に対する柔軟性と抵抗のために多孔性を組み合わせる必要がある。支持体は、例えば、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、又はポリテトラフルオロエチレンのような弗化ポリマーから製造される不織布、又は織布である。好ましい支持体は、微孔性メンブレンである。更に好ましい支持体は、米国特許第4,778,601号に記載されたプロセスによって生成される超高分子量ポリエチレン（ＵＰＥ）から製造される微孔性メンブレンである。
【００３３】
セルロース・メンブレンは、酢酸セルロース、又は他のセルロースエステルポリマー溶液の浸漬鋳造によって、支持体上に形成できる。次に、セルロースエステルが、０．５ＮのＮａＯＨのような強い塩基の使用によって、セルロースに加水分解される。セルロース限外ろ過メンブレンを製造する好ましい方法は、米国特許第5,522,601号に記載されており、酢酸セルロースの溶液がＵＰＥ微孔性メンブレンに被覆されて、メンブレンに凝固される。次に、メンブレンが水酸化ナトリウムを用いて加水分解され、セルロース・メンブレンを形成する。
【００３４】
代わりに、セルロースが、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、又はＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）のような溶剤の溶液に、塩化リチウムのような塩の追加によって溶解できる。このセルロース溶液は、メンブレンを形成するために使用でき、次に塩基加水分解反応に対する必要性をなくすことができる。
【００３５】
セルロース限外ろ過中空糸メンブレンは、米国特許第4,604,326号に記載のように、セルロースの銅アンモニア溶液をアセトン−水凝固溶液に紡ぐことによって製造できる。類似のプロセスが、フラットシート・メンブレンを生成するために使用できる。
【００３６】
これらの実施例は、セルロース限外ろ過メンブレンを製造することが可能な方法に限定されず、当業者が利用可能な種々の方法の例示である。
【００３７】
好ましいセルロース・メンブレンは、１０，０００ドルトン（Ｄ）以下の分子量カットオフ（ＭＷＣＯ）値を有し、更に好ましいセルロース・メンブレンは、５０００Ｄより小さいＭＷＣＯを有する。好ましいメンブレンは、 Massachusetts 州 Billerica の Millipore 社によって製造されるＰＬＣＣＣである。
【００３８】
架橋は、溶解した架橋反応物とメンブレンの間の不均一系反応を含む。反応液は、水性、若しくは有機溶剤、又は水性−有機混合物に基づく。好ましい有機溶剤は、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、又は類似の溶剤である。
【００３９】
一般的な架橋剤は、二官能性エポキシド、又は多機能性エポキシドである。実施例は、エピクロロヒドリン、ブタンジオールジグリシジルエーテル（ＢＵＤＧＥ）、エチレンジオールジグリシジルエーテル（ＥＤＧＥ）、ポリエチレングリコールジグリシルエーテル、及びブタンジエポキシドである。また、多機能Ｎ−メチルメトキシ合成物も、架橋試薬として使用される。実施例は Cymel 385 及び Powderlink 1174 であり、両方とも New Jersey 州 West Patterson の Cytec Industries 社から購入可能である。
【００４０】
反応液中の架橋剤濃度は約５重量パーセント〜約６０重量パーセントであり、好ましい範囲は約１０重量パーセント〜約４０重量パーセントである。
【００４１】
当業者は、反応温度、及び反応条件に基づいて反応を決定する。一般に、反応は、更に早い速度、及び更に高い温度で発生する。更に大きな反応槽は、反応温度に達して冷却するために、更に長い時間が必要である。更に高い圧力が、反応速度を向上させるために使用される。反応槽に依存して、当業者は、連続流れ、攪拌タンク、又はメンブレンに対する反応物の接触を向上させ、それによって反応を制御するための他の手段を使用する。更に高い濃度は、反応速度を向上させる。また、架橋剤型、及び溶剤も、反応時間の決定において役割を果たす。水酸化物イオン活性が、他の重要な反応条件である。
【００４２】
好ましい反応時間は約２時間〜約１００時間であり、約４時間〜約２４時間が好ましい反応時間である。反応は室温、及び上限約６０℃で進行し、好ましい温度は約２５℃〜約５０℃である。例えば、質量輸送速度を増加させること、連続したウェブを使用すること、温度、濃度、及び他の類似のパラメータを調節することにより反応速度を更に増加させることによって、当業者はこの時間を変更すること、又は減少させることができる。
【００４３】
多機能エポキシが使用されるとき、反応は基本条件で進行する。一般に、水酸化ナトリウム、又は水酸化カリウムが、使用される。一般に、約０．１Ｍ〜約１Ｍの水酸化物溶液が使用される。当業者は、セルロースのアルカリ劣化に対して反応を平行させることができる。更に高い水酸化物濃度、及び更に高い反応温度はアルカリ劣化を加速し、更に低い水酸化物濃度、及び更に低い温度は、劣化速度、及び架橋反応速度を減速する。
【００４４】
Powderlink 1174, Cymel 385 及び類似の架橋剤（多機能Ｎ−メチルメトキシ合成物）が、トルエンスルホン酸のような酸触媒とセルロースをセルロース上のヒドロキシル基を通して架橋する。他の類似の酸触媒は、有機スルホン酸、及び非酸化鉱酸である。ｐＨ約２〜４の弱い、又は控えめな酸性条件が適切である。好ましい触媒は、 Cytec Industries 社から購入可能なスルホン酸触媒 Cycat 4040 である。他の酸性条件が反応速度を向上させ得るが、セルロース・メンブレンの酸劣化を起こさないように当業者は注意しなければならない。
【００４５】
セルロース・メンブレンと架橋反応物の間の反応は、１００％の水、又はメチルエチルケトン、メチルペンタンジオール、アセトン、他のケトンの様な溶剤と混合された水の何れかの水溶液中で行える。このリストに限定はされない。便利で、要求に適した溶剤を使用することによって、当業者はこの方法を発展させることができる。
【００４６】
１ステップ・プロセス、又は２ステップ・プロセスの何れかにより、本発明の表面電荷は、負電荷を有するようにできる。１ステップ・プロセスでは、反応物を変更する電荷が、架橋溶液に加えられる。２ステップ法では、架橋反応の前、又は後に反応を追加する電荷が伝達される。
【００４７】
負に帯電したメンブレンを形成するための適切な反応物は、構造Ｘ（ＣＨ2）mＡ、又はそのアルカリ金属塩の合成物を含む。Ｘはハロゲンであり、塩化物、又は臭化物であることが好ましく、Ａはカルボキシル、又は、スルホン酸塩である。メンブレンの表面に付加される負電荷の量を制御するために、反応時間、反応物濃度、ｐＨ、及び温度が使用される。
【００４８】
グリシジル四級アンモニウム合成物、及び四級アンモニウムハロゲン化アルキルの使用によって、正電荷がメンブレンに与えられる。これらの分子はＹ（ＣＨ2）mＢの構造を有し、Ｙはハロゲンであり、Ｂは正に帯電した機能基である。
【００４９】
本発明では、荷電の前、即ち、帯電した基をメンブレンに付加する前に、架橋反応が行われるのが好ましい。何故ならば、帯電した基が付加されるにつれて、類似の帯電した基の間の電荷の反作用がポリマー、及びメンブレンを膨張させ、それがメンブレン特性に有害な影響を有し得るからである。もし架橋されたメンブレンが付加された電荷による潜在的膨張を抑制できる速度に架橋反応が制御されるなら、電荷を同時に架橋し荷電することが可能である。
【００５０】
実験室の通常業務で、本明細書の技術を使用して、当業者は、機能する孔のサイズ、電荷、及び他の材料特性の正しい平衡、及び経済的で可視な耐溶剤性ナノフィルトレーション・メンブレンを有するナノフィルトレーション・メンブレンを生成できる。
【００５１】
デキストラン試験
この試験は、 L. Zeman 及び M. Wales 著「Separation Science and Technology」 16(3) p275-390 (1981) によって公開された方法に基づく。
【００５２】
濡らされたメンブレンのサンプルが、試験セルの中に配置される。１０，０００〜２，０００，０００ドルトンの公称分子量を有するデキストランの混合物を含む供給液が、連続流れモード、又はメンブレンの上流側の攪拌セル中で接触する。低い流束で動作させるために、蠕動ポンプによって透過速度が制御され、それによって供給側における濃度分極を除去する。
【００５３】
透過のサンプルが、それらの分子量分布（ＭＷＤ）に対し、サイズ排除クロマトグラフィーによって試験される。結果の分布は、供給液のＭＷＤと比較される。任意の溶離値における除去率は、Ｒ2＝（ｈ（ｆ）v−ｈ（ｐ）p）／ｈ（ｆ）vから計算でき、ｈ（ｆ）vは、溶離値ｖにおける供給液クロマトグラフの高さであり、ｈ（ｐ）vは、値ｖにおける透過溶液供給液クロマトグラフの高さである。この方法で、ｖの関数としての除去率の分布が分かる。溶離値と溶質の分子量の間の関係が、デキストランの製造業者によって供給される既知のＭＷＤから決定される。分子サイズは、 Granath and Kuist, J 著「Chromatography 28」 p69-81 (1967)の関係によって分子量から計算できる。この方法で、除去率−サイズ分布の曲線が生成される。
【００５４】
ＭＷＣＯの測定値は、９０％除去率（Ｒ９０）における分子量を決定するためのものであり、それをメンブレンのＭＷＣＯとして考慮する。
【００５５】
捕捉性試験
メンブレン・ディスクが、供給流のための注入口を有し、圧力を掛けることを可能にし、透過液のための放出口を有する圧力セルの中に配置される。試験は、５０ｐｓｉの薄い硫酸マグネシウム、及びラフィノース溶液を用いて行われる。供給液、及び透過液中のラフィノース濃度は、屈折率検出を用いたＨＰＬＣによって決定された。硫酸マグネシウム濃度は、導電率によって決定された。
【００５６】
実施例
Ａ．水溶液
ＰＬＣＣＣは、 Massachusetts 州 Billerica の Millipore 社によって製造されたセルロース限外ろ過メンブレンである。それは、製造業者の文献において示されるように、分子量カットオフが５０００ドルトンであると見積もられる。
【００５７】
ＢＵＤＧＥは、架橋剤として使用されるブタンジオールジグリシジルエーテルである。
【００５８】
ＥＤＧＥは、架橋剤として使用されるエチレングリコールジグリシジルエーテルである。
【実施例１】
【００５９】
１片のＰＬＣＣＣメンブレン（８５ｍｍ＊１６５ｍｍ）が、６時間にわたり４０℃で６０グラム０．１ＭのＮａＯＨに溶解されたエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＤＧＥ）の４０グラムの溶液を用いて、温度制御された TECHNE HB1D ハイブリダイザーの中に配置されたガラス・ジャー中のＥＤＧＥ溶液でメンブレンを回転させることによって処理される。メンブレンは、２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水を用いて３回洗浄される。細菌汚染を防止するために、０．０１％のアジ化ナトリウムを含む２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水の中で使用するまで、メンブレンは保管される（メンブレン＃１）。
【００６０】
メンブレン１は、中性デキストランの除去率、及びバッファ流束を上記のデキストラン試験によって試験された。９０％のデキストランが除去される（Ｒ９０）分子量は、ＰＬＣＣＣ制御のための値と一緒に表１に作表される。メンブレン１、及びＰＬＣＣＣ制御のためのバッファ流束も表１に示される。
【００６１】
メンブレン１は、ＭｇＳＯ４を除去する機能を上記の捕捉性試験によって試験された。０．２％の水性ＭｇＳＯ４溶液が準備され、導電率が測定されて２．３４ミリジーメンス（ｍＳ）が与えられた。メンブレンは、高圧フィルトレーション攪拌セルの中に配置された。０．２％の供給液が、圧力５０ｐｓｉ、及び攪拌速度１５０ｒｐｍでメンブレン１を通過した。透過液の導電率は、ＭｇＳＯ４の０．０４％の濃度に対応する０．６８ｍＳであった。これは、供給ＭｇＳＯ４の約８０％の減少である。ナノフィルトレーション実験の間のこのメンブレンの流束は、０．２４ｌｍｈ／ｐｓｉであった。このデータは、表２で与えられる。
【００６２】
また、メンブレン１も、ラフィノースを除去する機能を上記の捕捉性試験によって試験された。ラフィノースは、５９４ドルトンの分子量を有する小さな糖分子である。０．１％の水性ラフィノース溶液が準備され、同じセルを使用して処理され、上記のＭｇＳＯ４実験のために設定された。供給液、及び透過液は、屈折率（ＲＩ）検出器を使用するＨＰＬＣによって、ラフィノース濃度を分析された。ラフィノース濃度における９１％の減少が、メンブレン１を用いた処理の後で記録された。このデータは、表２に示される。
【００６３】
Ｂ．有機溶液
【実施例２】
【００６４】
１片のＰＬＣＣＣメンブレン（８５ｍｍ＊１６５ｍｍ）が、９０時間にわたり２４℃で４０グラムのＮ−メチルピロリドンと４０グラム０．５ＭのＮａＯＨに溶解されたブタンジオールジグリシジルエーテル（ＢＵＤＧＥ）の２０グラムの溶液を用いて、温度制御されたハイブリダイザーの中に配置されたガラス・ジャーの中のＢＵＤＧＥ溶液でメンブレンを回転させることによって処理される。メンブレンは、２００ｃｃのメタノールを用いて１回、２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水を用いて２回洗浄される。細菌汚染を防止するために、０．０１％のアジ化ナトリウムを含む２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水の中で使用するまで、メンブレンは保管される（メンブレン＃２）。
【００６５】
メンブレン２は、中性デキストランの除去率、及びバッファ流束を上記のデキストラン試験によって試験された。これらの値は、表１で与えられる。
【００６６】
メンブレン２は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）中のラフィノースを除去する機能を上記の捕捉性試験によって試験された。ＩＰＡ中のラフィノースの０．１％の溶液が、メンブレン２を用いて５０ｐｓｉで処理された。メンブレン２を通過した後、濃度は０．０２９％まで減少した。これは、供給濃度に対して７１％の減少である。これらのデータは、流束、及び攪拌速度と一緒に表３に示される。
【００６７】
イソプロピルアルコールと比較した、ＤＭＡＣにおけるラフィノースに対する除去率の著しい相違は、孔のサイズだけが除去率を制御するのではなく、溶質／メンブレンの相互作用が重要であることを実証する。
【実施例３】
【００６８】
１片のＰＬＣＣＣメンブレン（８５ｍｍ＊１６５ｍｍ）が、４０時間にわたり２４℃で４０グラムのＮ−メチルピロリドンと４０グラム０．５ＭのＮａＯＨに溶解されたブタンジオールジグリシジルエーテル（ＢＵＤＧＥ）の４０グラムの溶液を用いて、温度制御されたハイブリダイザーの中に配置されたガラス・ジャーの中のＢＵＤＧＥ溶液でメンブレンを回転させることによって処理される。この期間の後、この溶液は廃棄され、同じ成分を有する新しい溶液が、５時間にわたり４０℃で導入される。メンブレンは、２００ｃｃのメタノールを用いて１回、２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水を用いて２回洗浄される。細菌汚染を防止するために、０．０１％のアジ化ナトリウムを含む２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水の中で使用するまで、メンブレンは保管される（メンブレン＃３）。
【００６９】
メンブレン３は、中性デキストランの除去率、及びバッファ流束を上記のデキストラン試験によって試験された。これらの値は、表１で与えられる。
【００７０】
メンブレン３は、Ｎ−メチルプロリドン（ＮＭＰ）中のラフィノースを除去する機能を上記の捕捉性試験によって試験された。ＩＰＡ中のラフィノースの０．１％の溶液が、メンブレン３を用いて５０ｐｓｉで処理された。メンブレン３を通過した後、濃度は、０．００５％であるＨＰＬＣ装置の検出限界より下まで減少した。これは、供給濃度に対して少なくとも９５％の減少に対応する。これらのデータは、表３に列挙される。
【実施例４】
【００７１】
１片のＰＬＣＣＣメンブレン（８５ｍｍ＊１６５ｍｍ）が、４時間にわたり４０℃で６０グラム０．２５ＭのＮａＯＨに溶解されたエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＤＧＥ）の４０グラムの溶液を用いて、温度制御されたハイブリダイザーの中に配置されたガラス・ジャーの中のＥＤＧＥ溶液でメンブレンを回転させることによって処理される。メンブレンは、２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水を用いて３回洗浄される。細菌汚染を防止するために、０．０１％のアジ化ナトリウムを含む２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水の中で使用するまで、メンブレンは保管される（メンブレン＃４）。
【００７２】
メンブレン４は、中性デキストランの除去率、及びバッファ流束を上記のデキストラン試験によって試験された。９０％のデキストランが除去される（Ｒ９０）分子量は、ＰＬＣＣＣ制御のための値と一緒に表１に作表される。メンブレン１、及びＰＬＣＣＣ制御のためのバッファ流束も表１に示される。
【００７３】
メンブレン４は、Ｎ−メチルプロリドン（ＮＭＰ）中のラフィノースを除去する機能を上記の捕捉性試験によって試験された。ＩＰＡ中のラフィノースの０．１％の溶液が、メンブレン４を用いて５０ｐｓｉで処理された。メンブレン４を通過した後、濃度は、０．００５％であるＨＰＬＣ装置の検出限界より下まで減少した。これは、供給濃度に対して少なくとも９５％の減少に対応する。これらのデータは、表３に列挙される。
【００７４】
【表１】
2008043948.tif 000002
【００７５】
【表２】
2008043948.tif 000003
【００７６】
【表３】
2008043948.tif 000004
【００７７】
予め荷電されたナノフィルトレーション・メンブレン
実施例１−負電荷１
１片のメンブレン＃１（８５ｍｍ＊１６５ｍｍ）が、４時間にわたり２５℃で１００グラム０．５ＭのＮａＯＨに溶解されたブロモプロピルスルホン酸ナトリウム塩（ＢＰＳＡ）の２２．５グラムの溶液を用いて、温度制御されたハイブリダイザーの中に配置されたガラス・ジャーの中のＢＰＳＡ溶液でメンブレンを回転させることによって処理される。メンブレンは、２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水を用いて３回洗浄される。細菌汚染を防止するために、０．０１％のアジ化ナトリウムを含む２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水の中で使用するまで、メンブレンは保管される（負に帯電したメンブレン＃１）。
【００７８】
実施例２−負電荷２
１６時間続くことが可能な反応時間を除き、実施例１と同じＢＰＳＡ反応条件が利用される。これは、上記の実施例１と比較して更に多くの負電荷を有する、スルホン酸改質メンブレンを生成する（負に帯電したメンブレン＃２）。
【００７９】
実施例３−正電荷１
１片のメンブレン＃１（８５ｍｍ＊１６５ｍｍ）が、３時間にわたり２５℃で１０グラム１ＭのＮａＯＨと７５グラムの水に溶解されたグリシジルトリメチル塩化アンモニウム（ＧＴＭＡＣ）の７０〜７５％水溶液の１５グラムの溶液を用いて、温度制御されたハイブリダイザーの中に配置されたガラス・ジャーの中のＧＴＭＡＣ溶液でメンブレンを回転させることによって処理される。メンブレンは、２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水を用いて３回洗浄される。細菌汚染を防止するために、０．０１％のアジ化ナトリウムを含む２００ｃｃのMilli-Q（登録商標）水の中で使用するまで、メンブレンは保管される（正に帯電したメンブレン＃１）。
【００８０】
実施例４−正電荷２
１６時間続くことが可能な反応時間を除き、実施例１と同じＧＴＭＡＣ反応条件が利用される。これは、上記の実施例１と比較して更に多くの正電荷を有する、四級アンモニウム改質メンブレンを生成する（正に正に帯電したメンブレン＃２）。