(57)【要約】粗大な多孔性構造を有する内側表面および緻密な多孔性構造を有する外側表面を有し、ここで、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外側表面のポアをの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜、ならびに１つまたはそれより多い当該中空ファイバー膜を含むフィルターおよびフィルター装置であって当該膜の内側表面から外側表面へ流体流動を方向付けるように好ましくは配置されている当該フィルターおよび当該装置、および当該フィルターおよびフィルター装置を用いる方法を開示する。
2004525755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバーを含む膜。
【請求項２】
当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有する、請求項１の膜。
【請求項３】
２またはそれより多い多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜を含むフィルターであって、それぞれの膜が、粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有し、ここで、当該ファイバー膜が当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有している、フィルター。
【請求項４】
入口および出口を有し、当該入口と当該出口の間の流体流動経路を決定するハウジング、および当該流体流動経路と交差して配置する複数の多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜は粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい、当該膜
を含み、
ここで、当該ハウジングは、流体が、当該入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜の内側表面および外側表面を通り、そして出口を通るように方向付けられるように配置される、
フィルター装置。
【請求項５】
入口、第一出口および第二出口を有するハウジングであって、当該入口と当該第一出口の間の第一流体流動経路および当該入口と当該第二出口の間の第二流体流動経路を決定する当該ハウジング；
当該第一流体流動経路と交差し実質的に第二流体流動経路に平行に配置する複数の多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜は粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい、当該膜
を含み、
ここで、当該ハウジングは、当該入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバーの内側表面および外側表面を通り、そして第一出口を通るように透過物を方向付け、そして当該入口から、実質的に内側表面の接線方向的に、そして第二出口を通るように非透過物を方向付けるように配置される、
フィルター装置。
【請求項６】
それぞれの膜が、当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有する、請求項５または６のフィルター装置。
【請求項７】
当該内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも少なくとも約５倍大きい、請求項１の膜。
【請求項８】
当該内側表面のポアの平均ポアサイズ・レエイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも少なくとも約１０倍大きい、請求項１の膜。
【請求項９】
当該内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも少なくとも約１００倍大きい、請求項１の膜。
【請求項１０】
当該膜が限外濾過膜である、請求項７−９の何れかの膜。
【請求項１１】
当該膜が精密濾過膜である、請求項７−９の何れかの膜。
【請求項１２】
液体懸濁液を処理する方法であって、
粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい少なくとも１つの多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜を提供すること、
望ましくない細胞性物質を含む液体懸濁液および目的の高分子と当該膜の内側表面を接触させ、そして目的の高分子を当該内側表面から当該外側表面へ通過させる一方、当該内側と外側の表面の間に望ましくない物質を保持すること、
を含む当該方法。
【請求項１３】
接線方向流濾過を含む、請求項１２の方法。
【請求項１４】
デッド・エンド濾過を含む、請求項１２の方法。
【請求項１５】
流体を非透過物および透過物に分離する方法であって、
より大きな高分子およびより小さな高分子を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きく、
より小さな高分子を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること、および
より大きな高分子を含む非透過物を膜の中央ボアを通って通過させること、
を含む当該方法。
【請求項１６】
流体を非透過物および透過物に分離する方法であって、
より大きな分子種およびより小さな分子種を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きく、
より小さな分子種を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること、および
より大きな分子種を含む非透過物を膜の中央ボアを通って通過させること、
を含む当該方法。
【請求項１７】
当該膜が当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有し、当該内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも少なくとも約５倍大きい、請求項１２−１６の何れかの方法。
【請求項１８】
アシンメトリー中空ファイバー膜を調製する方法であって、
均質性溶液またはコロイド分散液の形成に十分な割合で第一ポリマー、溶媒、および非溶媒を含むスピンニングドープを提供すること、
中空プレファイバーの形でノズルから当該ドープを押し出すこと、ここで、当該プレファイバーは、内側表面および外側表面を有し、
当該プレファイバーの外側表面を凝固媒体と接触させること、および
外側表面から内側表面へプレファイバーを凝固させ、アシンメトリー中空ファイバー膜を提供すること、
を含む当該方法。
【請求項１９】
当該スピンニングドープがまた、更なるポリマーを含む、請求項１８の方法。
【請求項２０】
当該更なるポリマーがポリビニルピロリドン(PVP)である、請求項１９の方法。
【請求項２１】
当該PVPが、当該スピンニングドープの約１０から４０重量％である、請求項２０の方法。
【請求項２２】
当該第一ポリマーがスルホンポリマーである、請求項１８−２１の何れかの方法。
【請求項２３】
当該スルホンポリマーがポリエーテルスルホンである、請求項２２の方法。
【請求項２４】
当該スルホンポリマーがポリスルホンまたはポリアリールスルホンである、請求項２３の方法。
【請求項２５】
当該第一ポリマーがポリビニリデンフルオリドである、請求項１８−２１の何れかの方法。
【請求項２６】
当該溶媒が、ジメチルフォルムアミド、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジオキサン、クロロホルムおよびテトラクロロエタンからなる群から選択される、請求項１８−２５の何れかの方法。
【請求項２７】
当該非溶媒が、エチレングリコール、グリセリン；ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、アルキルアリールポリエーテルアルコール、アルキルアリールスルホネート、アルキルサルフェート、トリエチルホスフェート、フォルムアミド、酢酸、プロピオン酸、2−メトキシエタノール、t-アミルアルコール、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ブチルエーテル、エチルアセテート、アミルアセテート、ジエチレングリコール、ジ(エチレングリコール)ジエチルエーテル、ジ(エチレングリコール)ジブチルエーテル、および水からなる群から選択される、請求項１８−２６の何れかの方法。
【請求項２８】
レシービングプレートにアシンメトリー中空ファイバー膜を回収することを更に含む、請求項１８−２７の何れかの方法。
【請求項２９】
当該膜が少なくとも約５のアシンメトリー比を有する、請求項１８−２８の何れかの方法。
【請求項３０】
当該膜が少なくとも約１０のアシンメトリー比を有する、請求項１８−２９の何れかの方法。
【請求項３１】
当該膜が精密濾過膜である、請求項１８−３０の何れかの方法。
【請求項３２】
当該膜が限外濾過膜である、請求項１８−３０の何れかの方法。
【請求項３３】
請求項１７−３２の何れかの方法により調製された膜。
【請求項３４】
外側多孔性表面、内側多孔性表面、およびボアを有する中空ファイバー膜をクリーニングする方法であって、
中空ファイバー膜の外側多孔性表面から当該膜の内側多孔性表面へ流体を通過させること、ここで、当該膜の内側表面は外側表面よりも大きい平均ポアサイズ・レイトのポアを有するものとし、そして
当該流体を当該膜の内側表面から当該膜のボアに沿って通過させること、
を含む当該方法。
【請求項３５】
当該膜がポア中に保持される物質を有している請求項３４の方法であって、該保持物質を当該膜のボア中に、そして当該膜の末端を経て通過させることを含む当該方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願とのクロスリファレンス
本特許出願は、2001年1月23日出願の米国仮特許出願番号60/263,190の利益を請求する。当該出願は引用により本明細書に加える。
【０００２】
本発明の分野
本発明は、多孔性アシンメトリー(asymmetric)中空ファイバー膜に関する。
【０００３】
本発明の背景
中空ファイバー膜は、内側表面、外側表面を有し、そして壁および中空キャビティーまたはボアを画定するものとして、一般的に定義される。それらは、典型的には、複数または束のファイバーとしてフィルター装置中に配置され、種々の濾過目的に利用される。「インサイド-アウト」フロー応用と呼ばれる幾つかの濾過適用では、フィルター装置中の中空ファイバー膜は内側表面に小さなポアそして外側表面に大きなポアをそれぞれ有し、ろ過されるべき液体は、当該装置の入口を通り当該膜のボア中を通過するが、その際、当該流体の一部分はファイバーの内側表面から外側表面へ、そして当該装置の１つの出口を通るように通過し、当該流体の残りの部分は接線方向にまたは内側表面に平行に、そして当該装置の他の出口を通るように通過する。当該装置および当該膜のボア中へ導入される流体は、フィード(当該フィードは種々のサイズの分子および／または分子種および場合によっては断片を含む)と通常呼ばれ、内側表面から外側表面へ通過する液体は、通常、透過物(permeate)または濾液(透過物または濾液は、膜のポアを通過する、より小さな分子および／または分子種を含む)と呼ばれ、当該外側表面へ通過することなく当該膜の内側表面に対して平行に通過する流体は、 非透過物(retentate)(非透過物は、当該膜のポアを通過しない、より大きな分子を含む)と通常呼ばれる。
【０００４】
インサイド−アウト応用に使用する通常の中空ファイバー膜は、多数の欠点、特に内側表面の付着物(fouling)に起因する欠点の影響を受ける。付着物は、当該膜の内側表面上の物質の蓄積を典型的に意味する。この蓄積物質は、当該膜のポアをふさぎ得、そのため、所望の生産物または分子の透過物中への通過を阻止しまたは減少させる。当該表面が付着物で汚れると、濾過効率は低下し、当該ファイバーを洗浄しまたは交換する必要が生じる。そのうえ、洗浄が困難である膜もある。これらの問題は、一部のファイバーが他のものよりも酷く汚れ、その結果不均一な流れを生じ得るため、多数の中空ファイバーを含むフィルター装置ではさらに拡大し得る。
【０００５】
本発明の要約
本発明は、より大きい多孔性構造を有する内側表面およびより小さな多孔性構造を有する外側表面を有する多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバーを含み、ここで、当該ファイバーは、当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有している膜を提供する。当該発明はまた、インサイド−アウトフロー適応用のためのフィルターおよびフィルター装置を提供する。
【０００６】
本発明の中空ファイバー膜は、本発明の膜が付着物に対し増強された耐性を有するため、典型的な中空ファイバー膜を超える改善された能力を有する。好ましい実施態様では、目的とするより小さな分子または分子種が高濃度または高スループットで通過し得る一方、当該膜は、より大きな分子または分子種を効率的に捕捉する。
【０００７】
１つの実施態様では、膜は、粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティング(rating)が外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバーを含むように提供される。
【０００８】
他の態様によると、フィルターは、２またはそれより多い多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜であって、それぞれの膜が、粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有し、ここで、当該ファイバー膜は当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有している、当該膜を含むように提供される。
【０００９】
本発明の実施態様によるフィルター装置は、入口および出口を有し、当該入口と当該出口の間の流体流動経路を決定するハウジング、および流体流動経路と交差して配置される多数の多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜は粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい、当該膜を含み、ここで、当該ハウジングは、当該入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜の内側表面および外側表面を通り、そして出口を通るように、流体を方向付けるように配置されている。
【００１０】
他の実施態様では、フィルター装置は、入口、第一出口および第二出口を有するハウジングであって、当該入口と当該第一出口の間の第一流体流動経路および当該入口と当該第二出口の間の第二流体流動経路を決定する当該ハウジング、当該第一流体流動経路と交差し実質的に第二流体流動経路に実質的に平行に配置されている多数の多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜は粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい、当該膜を含むように提供され、ここで、当該ハウジングは、当該入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバーの内側表面および外側表面を通り、そして第一出口を通るように流体のの一部を方向付け、そして当該入口から、実質的に内側表面の接線方向に、そして第二出口を通るように流体の他の部分を方向付けように配置されている。
【００１１】
本発明による懸濁状流体を処理する方法の実施態様は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい少なくとも１つの多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜であって、望ましくない細胞性物質および目的の高分子を含む懸濁状流体を当該膜の内側表面と接触させること、そして目的の高分子を当該内側表面から当該外側表面へ通過させる一方、当該内側と外側の表面の間に望ましくない物質を保持する、当該膜を提供することを含む。
【００１２】
本発明の実施態様により、流体を非透過物および透過物に分離する方法は、より大きな高分子およびより小さな高分子を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きく、より小さな高分子を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること、およびより大きな高分子を含む非透過物物を膜の中央ボアに沿って通過させること、を含む。
【００１３】
本発明の実施態様により、流体を非透過物および透過物に分離する方法は、より大きな分子種およびより小さな分子種を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きく、より小さな分子種を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること、およびより大きな分子種を含む非透過物を膜の中央ボアに沿って通過させること、を含む。
【００１４】
他の実施態様では、流体を非透過物および透過物に分離する方法は、目的の少なくとも１つの分子種を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きく、目的の分子種を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること、および非透過物を膜の中央ボアに沿って通過させること、を含む。
【００１５】
本発明の他の実施態様では、アシンメトリー中空ファイバー膜を調製する方法は、均質性溶液またはコロイド分散液の形成に十分な割合で第一ポリマー、溶媒、および非溶媒を含むスピンニングドープを提供すること、中空プレファイバー(pre-fiber)の形でノズルから当該ドープを押し出すこと、ここで、当該プレファイバーは、内側表面および外側表面を有し、当該プレファイバーの外側表面を凝固媒体と接触させること、および外側表面から内側表面へプレファイバーを凝固させ、アシンメトリー中空ファイバー膜を提供すること、を含む。
【００１６】
本発明はまた、外側多孔性表面、内側多孔性表面、およびボアを有する中空ファイバー膜をクリーニングする方法であって、中空ファイバー膜の外側多孔性表面から当該膜の内側多孔性表面へ流体を通過させること、ここで、当該膜の内側表面は外側表面よりも大きい平均ポアサイズ・レイトのポア(average pore size rated pores)を有し、そして当該膜のボアに沿って当該膜の内側表面から当該流体を通過させること、を含む当該方法のある実施態様を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明のアシンメトリー多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜の１つの実施態様の断面図の一部の走査型電子顕微鏡像を示す(拡大写真 450×)。
【図２】図２は、本発明の中空ファイバー膜を調製するための押出ヘッドの部分的断面図である。
【図３】図３は、図２に示す押出ヘッドの先端の拡大断面図である。
【図４】図４は、接線方向のフロー濾過適用での使用のための、多数の中空ファイバー膜を含むインサイド−アウトフローフィルター装置の実施態様の図式断面図である。
【００１８】
本発明の詳細な説明
本発明により、アシンメトリー合成中空ファイバーポリマー膜、好ましくはインサイド−アウトフロー応用のための精密濾過膜（microfiltration membrane）および限外濾過膜を提供する。
【００１９】
ある実施態様では、アシンメトリー膜は、粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有する多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー、ここで、当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造（progressively asymmetric structure）を有する、当該ファイバーを含むように提供される。他の実施態様では、アシンメトリー膜は、粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有する多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバーが、その内側表面と外側表面との間の膜の一部分について等方性構造（isotropic structure）を含むように提供される。本発明のアシンメトリー中空ファイバー膜の好ましい実施態様では、膜の内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングが、膜の外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい。より好ましい実施態様では、当該膜は、内側表面と外側表面との間で少なくとも約５、より好ましくは少なくとも約１０のアシンメトリー比（asymmetry ratio)を有する。
【００２０】
本発明の他の実施態様では、フィルターは、１またはそれより多い多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜であって、それぞれのファイバー膜が、粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有し、ここで、当該ファイバー膜は当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有している、当該膜を含むように提供される。また、フィルターの他の実施態様では、当該フィルターは、１またはそれより多い多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜であって、それぞれのファイバー膜が、粗大な多孔性構造を有する内側多孔性表面および緻密な多孔性構造を有する外側多孔性表面を有する当該膜、および内側表面と外側表面との間の膜の一部分について等方性構造を含む。本発明のアシンメトリー中空ファイバー膜の好ましい実施態様によれば、膜の内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは、膜の外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい。より好ましい実施態様では、当該膜は、内側表面と外側表面との間で少なくとも約５、より好ましくは少なくとも約１０のアシンメトリー比を有する。
【００２１】
本発明の実施態様のフィルター装置は、入口および出口を有し、当該入口と当該出口の間の流体流動経路を画定するハウジング、および流体流動経路と交差して配置される１つまたはそれより多い多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜は粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有する、当該膜を含み、ここで、当該ハウジングは、当該入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜の内側表面および外側表面を通り、そして出口を通るように流体を方向付けられるように配置される。
【００２２】
他の実施態様により、フィルター装置は、入口、第一出口および第二出口を有するハウジングであって、当該入口と当該第一出口の間の第一流体流動経路および当該入口と当該第二出口の間の第二流体流動経路を画定する当該ハウジング、当該第一流体流動経路と交差し実質的に第二流流体動経路に平行に配置する多数の多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバー膜は粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有する、当該膜を含み、ここで、当該ハウジングは、当該入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバーの内側表面および外側表面を通り、そして第一出口を通るように流体の一部を方向付け、そして当該入口から、実質的に内側表面の接線方向的に、そして第二出口を通るように流体の残りの部分を方向付けるように配置されている。例えば、当該ハウジングは、当該入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバーの内側表面および外側表面を通り、そして第一出口を通るように透過物を方向付け、および当該入口から、実質的に内側表面の接線方向的に、そして第二出口を通るように非透過物を方向付けるように配置されている。
【００２３】
フィルター装置の好ましい実施態様は、当該内側表面から当該外側表面へ連続的なアシンメトリー構造を有する１つまたはそれより多い中空ファイバー膜を含み、ここで、当該膜の内側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは当該膜の外側表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きい。
【００２４】
本発明の実施態様による懸濁状流体を処理する方法は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有するかまたは内側表面と外側表面との間の膜の一部分について等方性構造を有する少なくとも１つの多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバー膜を提供すること、望ましくない細胞性物質および目的の高分子および／または分子種とを含む懸濁状流体と当該膜の内側表面を接触させ、そして目的の高分子および／または分子種を当該内側表面から当該外側表面へ通過させる一方、当該内側と外側の表面の間に望ましくない物質を保持すること、を含む。本方法の実施態様はデッド・エンド濾過(dead end filtration)および接線方向フロー濾過(tangential flow filtration)を含む。
【００２５】
他の実施態様により、流体を非透過物および透過物に分離する方法は、より大きな高分子およびより小さな高分子を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、当該ファイバーは、当該内側表面から当該外側表面への漸進的にアシンメトリーとなる構造または内側表面と外側表面との間の膜の一部分について等方性構造を有し；より小さな高分子を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること；およびより大きな高分子を含む非透過物を膜の中央ボアに沿って実質的に内側表面の接線方向に通過させること、を含む。好ましい実施態様では、当該膜は、当該内側表面から当該外側表面へ漸進的にアシンメトリーとなる構造を有する。
【００２６】
他の実施態様により、流体を非透過物および透過物に分離する方法は、より大きな分子種およびより小さな分子種を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、当該ファイバーは、当該内側表面から当該外側表面への連続的なアシンメトリー構造または内側表面と外側表面との間の膜部分のための等方性構造を有し；より小さな分子種を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること；およびより大きな分子種を含む非透過物を膜の中央ボアに沿って実質的に内側表面の接線方向に通過させること、を含む。好ましい実施態様では、当該膜は、当該内側表面から当該外側表面へ連続的なアシンメトリー構造を有する。
【００２７】
他の実施態様により、流体を非透過物および透過物に分離する方法は、目的の少なくとも１つの分子種を含むフィード懸濁液を中空ファイバー膜の中央ボアに方向付けること、ここで、当該膜は、粗大な構造を有する内側多孔性表面および緻密な構造を有する外側多孔性表面を有し、内表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングは外表面のポアの平均ポアサイズ・レイティングよりも大きく、目的の分子種を含む透過物を内側表面から外側表面へ通過させること、および非透過物を膜の中央ボアに沿って実質的に内側表面の接線方向に通過させること、を含む。
【００２８】
また、他の本発明の実施態様により、アシンメトリー中空ファイバー膜を調製する方法は、均質性溶液またはコロイド分散の形成に十分な割合で第一ポリマー、溶媒、および非溶媒を含むスピンニングドープを提供すること；中空プレファイバー型でノズルから当該ドープを押し出すこと、ここで、当該プレファイバーは、内側表面および外側表面を有し；当該プレファイバーの外側表面を凝固媒体と接触させること；および外側表面から内側表面へプレファイバーを凝固させ、アシンメトリー中空ファイバー膜を提供すること、を含む。本方法の好ましい実施態様は、漸進的にアシンメトリーとなる膜を形成することを含む。好ましくは、当該スピニングドープは、第一ポリマーおよび第二ポリマーを含み、より好ましくは、第一ポリマーはスルホンポリマーまたはポリビニリデンフルオリドを含み、当該第二ポリマーはポリビニルピロリドンである。より好ましい実施態様では、当該方法は、レシービングプレート、より好ましくは回転式レシービングプレート上で中空ファイバー膜を回収することを更に含む。
【００２９】
本発明の他の実施態様は、外側多孔性表面、内側多孔性表面、およびボアを有する中空ファイバー膜をクリーニングする方法であって、中空ファイバー膜の外側多孔性表面から当該膜の内側多孔性表面へ流体を通過させること、ここで、当該膜の内側表面は外側表面よりも大きい平均ポアサイズ・レイトのポアを有し；および当該膜のボアに沿って当該膜の内側表面から当該流体を通過させること、を含む。
【００３０】
本発明の膜は、中空ファイバーの内側表面により大きなサイズのポアを有し、外側表面により小さなサイズのポアを有する。本発明の幾つかの実施態様により、当該膜は、断面において内側表面と外側表面との間で漸進的にアシンメトリーとなる構造を有する。従って、当該内側表面に配置されるかまたは当該内側表面に近接する最も大きいサイズのポアを伴う、ポア分布、および外側表面へ徐々に小さくなるポアは、漏斗に例えることができる。他の実施態様では、当該膜は、内側表面と外側表面との間の膜の厚みの少なくとも一部について等方性構造を有する。本発明の当該膜は、砂時計型のポアを有さない。
【００３１】
インサイド−アウトフロー応用に典型的に使用する常用の中空ファイバー膜では、当該膜の内側表面は外側表面よりも小さなポアサイズを有し、これにより、内側表面のより小さなポアは大きな分子および断片が当該ポアへ入るのを妨げ、それにより当該膜の汚れを減少させると考えられる。対照的に、本発明の膜においては、内側表面および内側部分の平均ポアサイズは、外側表面および外側部分のポアよりも大きく、これにより、驚くべきことに、濾過が効率よくなり(より大きい分子、分子種および断片を保持および／または捕捉する一方、より小さい分子および分子種を透過物中に通過し得る)、能力および汚れに対する丹精がが有利に増大する。
【００３２】
図１に示す膜の実施態様は、内側表面に比較的大きなポアが見られ、外側表面に比較的小さなポアが見られ、ここで、当該ポアは、当該膜の断面において内側表面から外側表面への方向に徐々に大きさが減少し、当該膜は、実質的にマクロボイド(macrovoids)がない。ある実施態様では、平均ポアサイズは徐々に減少するか、または幾分一定であり、次いで、膜の断面において内側表面から外側表面へ急に減少する。
【００３３】
本発明による中空ファイバー膜の典型的な実施態様では、外側表面ポア構造に対する、内側表面ポア構造、例えば、平均ポアサイズ・レイティング、平均ポア直径、平均ポアサイズ、平均フローポアサイズ(例えば、１つまたはそれより多い走査型電子顕微鏡(SEM)分析、ポロメトリー(porometry)分析、パーティクル試験(particle challenge)、分子量マーカーを伴う分子量試験、窒素吸収／脱吸収分析、およびバブルポイント測定により算出される)の比は、少なくとも約５から１(これはまた、少なくとも約５のアシンメトリー比として表され得る)、より好ましくは、外側表面ポア構造に対する内側表面ポア構造の比は少なくとも約１０〜１である(少なくとも１０のアシンメトリー比)。しかし、アシンメトリーは、膜の厚み内で徐々であり得るかまたは急激であり得、２つの膜では、外側表面ポア構造に対する内側表面の比(例えば、１０から１)は類似するが、ポアサイズの漸進的増加勾配があるか、または膜内に異なる勾配のポアサイズ変化を有する複数の領域を有するかによって非常に異なる内部構造を有する。
【００３４】
精密濾過膜および限外濾過膜の場合、外側表面ポア構造に対する内側表面ポア構造の比は、より好ましくは少なくとも約１００から１(少なくとも約１００のアシンメトリー比)である。ある実施態様では、本発明の膜では、外側表面ポア構造に対する内側表面ポア構造の比は少なくとも約１０００から１、またはそれより多く(少なくとも約１０００のアシンメトリー比)、また少なくとも約１０，０００から１(少なくとも約１０，０００のアシンメトリー比)である。
【００３５】
上記のように、膜の内側表面および内側部分に大きなポアおよび膜の外側表面および外側部分に小さなポアを有する本発明の膜は、インサイド−アウトフロー応用のための通常の膜、すなわち、内側表面に小さなポアを、外側表面には大きなポアを有する通常の膜と比較すると、増大した能力および付着物に対する耐性を提供する。従って、より大きな分子および／または分子種は阻止されるかまたは内側部分に保持され得、その一方、より小さい分子および／または分子種は透過物中に通過し得る。
【００３６】
典型的に、本発明の中空ファイバー膜は、好ましくはメルトスピニング、ウェットスピンニングまたはドライ−ウェットスピンニングによる相転換（phase inversion）により調製される。相転換は、溶媒の蒸発、非溶媒の添加、溶液の冷却、もしくは二次ポリマーの使用、またはそれらの組合せを含む幾つかの方法により行われ得る。
【００３７】
通常のドライ−ウェットおよびウェット−ウェットスピンニング法では、ポリマー、溶媒および時折、添加物(例えば、第二ポリマー、ポアフォーマー、非溶媒、望ましいならば界面活性剤のうちの少なくとも１つ)を含む粘性ポリマー溶液を、スピナレット(場合により、スピンニングノズルまたは押出ヘッドと称する)を通してポンプし、ここで、当該ポリマー溶液は、混合され攪拌され、均質溶液またはコロイド状分散液を提供し、濾過し、押出ヘッドに入れる前に脱気する。ボア注入流体を押出ヘッドの内側オリフィスを通して押し出す。ドライ−ウェットスピンニング法では、押出ヘッドから押し出されたファイバーは、大気圧または制御された気圧中での短い滞留時間(residence time)後に、非溶媒バス中に浸漬され、実質的に不均一に壁厚を全体的にクエンチングし得、当該ファイバーを回収する。ウェット−ウェットスピンイング法では、押し出されたファイバーは、大気圧または制御された気圧では滞留時間を有さず、例えば、押出ヘッドから直接非溶媒バス中へ通過し、実質的に不均一の壁厚を全体的にクエンチングし得る。
【００３８】
しかし、本発明の好ましい実施態様では、押出ファイバーは凝固媒体中には浸漬されない。むしろ、以下でより詳細に説明するように、凝固媒体は、押出ヘッドに接していて、押出物(extrudate)が当該押出ヘッドから出てくるときに、押出物(またはプレファイバー)の外側表面と接するように位置する。当該押出物が外側表面とのみ接触するため、凝固は、ファイバーの外側表面から内側表面のほうへと進む。
【００３９】
凝固媒体は、ポリマー溶液の凝固、すなわち、溶液状態からゲル状態へのポリマーの転移を促進する。凝固媒体は、ポリマーの溶解度を減少させるか、全くなくす。ポリマー溶液押出物を、凝固媒体と接触させる(外側表面で)と、当該溶媒は、押出物の外に分散し、同時に凝固媒体は押出物中に分散する。結果として、ポリマー鎖の分子移動度は制限される。多孔性微小構造は、溶媒が占める体積の特性を生ずる。
【００４０】
凝固媒体は、典型的に非溶媒、例えば、水である。好ましくは、凝固媒体は、非溶媒に加えて、溶媒、膨張剤、湿潤剤またはポア形成剤(pore former)のような添加剤を含む。これらの添加剤は、接触が起こったときにゲル化が即発する状態にあり同時に溶媒と凝固媒体との交換が多孔性構造の形成に適した速度で起こるように、凝固媒体の溶解性パラメーターをポリマー溶液のそれに近づけることに貢献する。
【００４１】
好ましくは、押出物は、力および／または重力により、押出ヘッドからレシービングプレートへ移される。本発明の膜調製に使用する押出ヘッドは、多数のオリフィス、例えば、図２および３に示すような中央ボアおよび少なくとも２つの濃縮通路を有し得る。実例として、ウェットスピンニング法による膜の調製において、ボア注入流体を、押出ヘッド１００の内側経路１を通してポンプし、粘性ポリマー溶液を、内側経路周囲の第一環状経路２を通してポンプし、そして非溶媒(凝固媒体またはクエンチ溶液)を、第一環状経路の周囲の第二(または外側)環状経路３を通してポンプする。押出ヘッドは、更なる経路(示さず)、例えば、ポリマー溶液の経路と凝固媒体の経路との間の他の流体のための濃縮経路を有し得る。
【００４２】
本発明の好ましい実施態様により、当該膜を形成するための方法は、ポリマースピンニングドープ(例えば、ポリマー、溶媒、および非溶媒溶液)の押出しを含み、それにより、ファイバーの外側表面は凝固媒体と接触し、外側表面に多孔性スキンを形成し得(外側スキンは、凝固媒体−ドープインターフェースを構成する膜の良好なポア形成サイドである)、その一方、内側ボアを通してボア注入流体を導入し、当該膜のボアの崩壊を防止する。従って、この実施態様には、当該ファイバーの外側表面上で、凝固媒体と共にポリマースピニングドープを、内側オリフィスから当該スピンニングドープを押出すと同時に当該凝固媒体を押出しヘッドの外側オリフィスから押出すことにより、凝固させることが含まれ(当該スピンニングドープオリフィスは、ボア注入流体のためのオリフィスと凝固媒体のためのオリフィスとの間に配置される)、ここで、当該オリフィスは、スピンニングドープオリフィスから通過するため、凝固媒体が当該ファイバーの外側表面と接触し得るように並べる。外側多孔性スキンから当該センターへの凝固移動により、内部(内側)表面上のオープン構造で終わり、(好ましい実施態様では)内側表面と外側表面との間に漸進的にアシンメトリー性が増大する段階的構造を有する、より小さい緻密構造が作成される。
【００４３】
所望ならば、本発明のある実施態様では、中空プレファイバーは、完全に形成されて押出ヘッドを離れ、溶媒を取除くことを除き、如何なる成形処置も必要とされず、ある実施態様では、膜の機械的性質、例えば、たわみ性を改善するためバス(例えば、グリセリンおよび／またはポリエチレングリコールを含む)中に膜を置くことが行われる。
【００４４】
本発明の膜を形成するための方法の他の実施態様により、押出ヘッドを離れた中空ファイバーが、望ましい距離(例えば、重力により)を、放射状回転レシービングプレートにまで移され、、当該ファイバーが望ましい方向または配置(例えば、コイル)で容易に回収され、さらに好ましくは、ファイバーがプレート上で水で洗浄され得る。この実施態様の利点には、ファイバーを引張ったり、引伸ばしたりすることなく回収し、好ましくは単一コイルの型での回収することが含まれ、そのため、当該ファイバーへのストレスが減少する。加えて、または他に、ファイバーが損傷すれば、更なるファイバーは、通常の回収装置の種々のスプール、ドラムおよび／またはダンサーアーム中への新しいファイバーのスレッディング、ウィービングまたはワインディングする大きな労働力を要する労力もなく、回収ができる。
【００４５】
望ましいならば、形成された膜は水浴中に置かれ得(例えば、残りの溶媒を浸出させる)、および／または他に処理、例えば、保存の間の破壊を防止するためグリセリン／水浴中に置き得る。典型的に、当該膜は保存前に乾燥させる。当該膜は、任意の適当な温度、例えば、約４℃から約２５℃の間、より好ましくは、約４℃から約１５℃の間に保存し得る。望ましくは、当該膜は、任意の保存剤、例えば、緩衝液または生理食塩水、水性アルコール、水酸化ナトリウム、またはグリセリンおよびアジ化ナトリウム中で保存され得る。
【００４６】
本発明の中空ファイバー膜は、任意の適当なポリマーまたはポリマー群の組合せから生成し得る。適当なポリマーには、例えば、ポリ芳香族(polyaromatics)、スルホン(ポリスルホン、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンなど)、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、フルオロポリマー、酢酸セルロースおよび硝酸セルロースなどのセルロース性ポリマー、およびＰＥＥＫが含まれる。他の例には、ポリエーテルイミド、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニリデンフルオリド、ポリ(テトラフルオロエチレン)、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン(ＰＶＰ)、ポリビニルクロリド、ポリエステル、ポリ(アミドイミド)、およびポリジアセチレンならびにそれらの組合せが含まれる。任意のこれらポリマーは化学的に修飾され得る。
【００４７】
ポリマー溶液が第一ポリマーおよび第二ポリマーを含む幾つかの実施態様では、第一ポリマーは、ポリスルホン(より好ましくは、ポリエーテルスルホン)またはポリビニリデンフルオリドであり、第二ポリマーはＰＶＰである。典型的に、ＰＶＰは、ポアフォーマーおよび形態エンハンサー(morphology enhancer)として利用でき、実質的に膜の製造の間に取除かれる。
【００４８】
当該ポリマーは、任意の適当な平均分子量を有し得る。しかし、ポリマー(または第一ポリマー)がスルホン(例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、およびポリアリールスルホン)であるいくつかの実施態様では、当該ポリスルホンは、約30,000から約60,000ダルトンの範囲の平均分子量を有する。第二ポリマーがＰＶＰである幾つかの実施態様では、当該ＰＶＰは、約5,000から約120,000ダルトン、好ましくは約10,000から約15,000ダルトンの範囲の平均分子量を有する。
【００４９】
種々の適当な溶媒、ポアフォーマー、非溶媒、界面活性剤、および添加剤は当分野に既知である。適当な溶媒は、プロトン性または非プロトン性であり得る。許容される非プロトン性溶媒には、例えば、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン(ＮＭＰ)、ジメチルスルホキシド、スルホラン、およびジメチルアセトアミド(ＤＭＡＣ)が含まれる。許容されるプロトン性溶媒には、例えば、ギ酸およびメタノールが含まれる。他の適当な溶媒には、例えば、ジオキサン、クロロホルム、テトラメチル尿素、テトラクロロエタンおよびＭＥＫが含まれる。
【００５０】
適当なポアフォーマー(一般的に、ポアフォーマーの濃度は、最終の膜において、アシンメトリーの比を含む、ポアサイズおよびポア分布に影響を与える)には、例えば、ポリビニルピロリドン(ＰＶＰ)、ポリエチレングリコール(ＰＥＧ)、およびグリセリンが含まれる。
【００５１】
適当な非溶媒は、固体または液体であり得る。一般的に、非溶媒の濃度は、ポアサイズおよびポア分布に影響を与え、凝固媒体またはクエンチ溶液として使用するとき、転相(沈殿)を起す。典型的な液体非溶媒には、例えば、エチレングリコール、グリセリンのような脂肪族アルコール、特に多価アルコール；ポリエチレンオキシドおよびポリプロピレンオキシド；アルキルアリールポリエーテルアルコール、アルキルアリールスルホネートおよびアルキルサルフェートのような界面活性剤；トリエチルホスフェート、フォルムアミド；および酢酸またはプロピオン酸のような脂肪酸が含まれる。他の適当な液体非溶媒には、例えば、２−メトキシエタノール、ｔ−アミルアルコール、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ブチルエーテル、酢酸エチル、酢酸アミル、ジエチレングリコール、ジ(エチレングリコール)ジエチルエーテル、ジ(エチレングリコール)ジブチルエーテルおよび水が含まれる。典型的な固体非溶媒には、ポリビニルピロリドン、クエン酸、および塩化亜鉛および塩化リチウムのような塩が含まれる。
【００５２】
スピンニングドープの１つの好ましい実施態様には、約１０から約３０ｗｔ．％の第一ポリマー、より好ましくは約１５から約２２ｗｔ．％の第一ポリマー；約８から約２５％の範囲の非溶媒、好ましくは約１０から約１３ｗｔ．％の範囲の非溶媒；約１０から４０ｗｔ．％の範囲の第二ポリマー、より好ましくは約１８から２５ｗｔ．％の第二ポリマー；および約３５から約６５ｗｔ．％の範囲の溶媒、より好ましくは約４０から約５５ｗｔ．％の範囲の溶媒が含まれる。
【００５３】
スピンニングドープは、押出ヘッドから押出されるため、ファイバー押出物に十分な強度を与えるのに適した粘度を有しなければならない。押出温度でのスピンニングドープの粘度は、任意の適当な粘度となり得、典型的には、少なくとも約１０００センチポアズ、より典型的には少なくとも約５，０００センチポアズ、および好ましくは約１０，０００から１，０００，０００センチポアズの範囲である。
【００５４】
種々のスピナレットまたは押出ヘッドが、本発明の実施に適する。好ましくは、当該押出ヘッドは、例えば図２および３に示すような、マルチオリフィス型である。典型的なオリフィス直径は、約．０１ｃｍから約０．５ｃｍの範囲、好ましくは約．０２ｃｍから約．３ｃｍの範囲である。しかし、当分野に既知のように、当該選択されたオリフィス直径は望ましい中空ファイバー直径および目的の適用に一般的に依存する。例えば、参照として図２および３に示した典型的なヘッドを使用し、押出ヘッド１００の中央オリフィスまたはボア１は十分に大きく、ボア流体の重要な流れを許容し、望ましいサイズのファイバーを生じ、スピンニングドープが押出されるオリフィス２は、望ましい膜壁厚(membrane wall thickness)を供する一方で、スピンニングドープの十分な流れを典型的に十分に許容し、そして、凝固媒体が通過するオリフィス３は、凝固媒体がオリフィス２を通過した当該ファイバーと接触するように当該凝固媒体の十分な流れを確保する。本発明の好ましい実施態様では、中央オリフィスまたはボアは、約．０３ｃｍから約．１５ｃｍの範囲の直径を有する。
【００５５】
当該スピンニングドープは、望ましい流速の一定流量を供する当分野に既知の任意の手段(例えば、１つまたはそれより多いポンプまたはガス圧)により供給源から押出ヘッドへと送達される。典型的な流速は、例えば、約０．５ｃｃ／ｍｉｎから約２０ｃｃ／ｍｉｎの範囲、より典型的には約１ｃｃ／ｍｉｎから約１０ｃｃ／ｍｉｎの範囲である。しかし、当分野に既知のように、所定の粘度の流速は、押出ヘッドのサイズおよびオリフィスの数およびサイズに依存する。
【００５６】
同様に、ボア注入流体(時折、「コア流体」と称せられる)はまた、当分野に既知の任意の手段により供給源からスピナレットまたは押出ヘッドへと送達される。他に、ドライ−ウェット法を含む幾つかの実施態様では、スピナレットのオリフィスのボア間で異なる圧力、および当該スピナレットを覆うチャンバー内の大気圧より低い圧力により、コア流体はスピナレット中へと十分に吸出され得る。種々のボア注入流体(気体または液体)が利用でき、当該流体には、成分の混合物が含まれ得る。好ましくは、ボア注入流体は、クエンチング流体ではなく、例えば、注入流体は、例えば、空気、窒素、ＣＯ２、沈殿を生ずる強力な能力のない流体、または凝固が生じないように十分に高濃度の溶媒を有する流体であり得る。
【００５７】
凝固媒体はまた、任意の適当な手段により、供給源からスピナレットまたは押出ヘッドへと送達される。しかし、好ましくは、凝固媒体が押出ヘッドから出るため押出されたファイバーの外側表面に凝固媒体が接触するように、スピンニングドープの外側に配置したオリフィスを通して、当該凝固媒体が方向付けられる。典型的な流速は、例えば、約４０ｃｃ／ｍｉｎから約１５０ｃｃ／ｍｉｎの範囲である。好ましくは、当該流速は、約６０から約１２０ｃｃ／ｍｉｎの範囲である。
【００５８】
典型的に、それそれのスピニングドープの温度、コア流体、および凝固媒体は、当分野に既知なように調節される(幾つかの実施態様では、別々の調節される)。
【００５９】
当該膜は、任意の適当なポア構造を有し得、精密濾過、限外濾過、および逆浸透の適用に使用し得る。
【００６０】
ポア構造に関し、限外濾過膜は、分子量押出カットオフ(ＭＷＣＯ)値で典型的に類別し、それは、例えば、ポリサッカライドまたはタンパク質などの既知分子量を有する物質の膜維持(membrane retention)の効率に基づき得る。従って、本発明の限外濾過膜は、約１ｋＤａ(１０００ダルトン)またはそれ未満から約１，０００ｋＤａ(１，０００，０００ダルトン)またはそれを超える範囲のＭＷＣＯを有し得る。例示的に、本発明の限外濾過膜は、例えば、約１０ｋＤａまたはそれ未満、約３０ｋＤａ、約５０ｋＤａ、約１００ｋＤａ、またはそれを超えるＭＷＣＯを有し得る。
【００６１】
精密濾過膜は、本発明により、当該膜の外側表面および／または当該膜の外側表面に隣接して典型的に存在する、当該膜中の制限ポア(limiting pore)のサイズで典型的に類別する。従って、本発明の実施態様による精密濾過膜は、例えば、制限ポア、平均フローポアサイズ、または約０．０２ミクロンまたはそれより大きい、例えば約０．０３ミクロンから約５ミクロンの範囲の平均ポアサイズを有し得る。例示的に、本発明の精密濾過膜は、制限ポア、平均フローポアサイズ、または０．０５ミクロン、０．１ミクロン、０．２ミクロン、０．４５ミクロン、０．６５ミクロン、１ミクロン、２ミクロンまたはそれより大きい平均ポアサイズを有し得る。
【００６２】
中空ファイバー膜は、任意の適当な大きさを有し得、その大きさは特定の適用のために最適化され得る。
【００６３】
典型的に、本発明の中空ファイバー膜は、環状、同心ボアの一般的に環状の断面を有する。当該膜は、任意の適当な内径および外径を有し得る。当該膜の外径は、例えば、少なくとも約１００μｍ(ミクロン)、例えば約１５０ミクロンから約３０００ミクロンまたはそれより大きい範囲であり得る。典型的に、外径は、約５００ミクロンから約１８００ミクロンの範囲である。当該膜の内径は、例えば、約５００ミクロン(０．５ｍｍ)、約１０００ミクロン(１ｍｍ)、または約１５００ミクロン(１．５ｍｍ)であり得る。
【００６４】
典型的に、本発明の中空ファイバー膜は、約１００から約６００ミクロン、より好ましくは２００から４００ミクロンの範囲の壁厚を有する。しかし、他の実施態様では、より厚いかまたはより薄い壁厚を有し得る。
【００６５】
本発明の好ましい実施態様では、中空ファイバーは、当該膜中の最も大きなポアよりも実質的にサイズの大きいフィンガー状の突起または空間である、マクロボイドが実質的にない。本発明の実質的なマクロボイド膜の利点は、当該膜は完全性の試験、好ましくは空気完全性試験可能であることである。
【００６６】
好ましい実施態様では、当該膜は一体化されており、すなわち、それらは同時にラミネート化された複数の層を有し得ない。より好ましい実施態様では、当該統合膜は全て１つの組成物である。
【００６７】
本発明の実施態様によるフィルターは、任意の数の中空ファイバー膜を有し得、フィルターは、異なる特性を有する中空ファイバー膜を含み得る。本発明の実施態様のフィルターは、単一の中空ファイバーを含み得る一方、典型的に、当該フィルターは、少なくとも２つ、好ましくは約１０またはそれより多い、中空ファイバー膜を含む。
【００６８】
好ましくは、本発明の中空ファイバー膜(ならびに当該膜を含むフィルターおよびフィルター装置)は、当分野に既知のプロトコールに従い、滅菌可能である。例えば、本発明のポリスルホンおよびポリエーテルスルホン膜は典型的にはスチーム滅菌できる。
【００６９】
典型的に、本発明の中空ファイバー膜(および当該膜を含むフィルター装置)は、当分野に既知の一般的プロトコールに従い、洗浄し得る(および当該装置を水洗いし得る)。例えば、本発明の装置は、緩衝液で典型的に洗い流されるか、または濾液を消費し、当該膜は、水酸化ナトリウム溶液(例えば、約０．１−０．５Ｎ ＮａＯＨ)のような苛性溶液で洗浄する。
【００７０】
好ましくは、本発明の膜、フィルターおよび装置はバックウォッシュされ得、ここで、その洗浄液は、外側の小さなポアから内側の大きなポアを通過し、そのため、より小さなポアから離れたより大きな汚染物は当該膜のボア中に、そして当該膜の端を通って、方向付けられる。結果として、より小さなポア中へより大きな汚染物を押し込むことにより当該膜を塞ぐ可能性が減少する。
【００７１】
本発明の膜は、種々の適用、特にフィルター装置(例えば、モジュール、カートリッジ、およびカセット)で利用するときの適用を有する。典型的に、当該フィルター装置は、入口および少なくとも１つの出口を有するハウジング、および当該ハウジングに装着した１つの中空ファイバー、好ましくは２つまたはそれより多い中空ファイバーを含むフィルターを含む。当該膜は、接線方向のフロー装置に好ましくは使用される一方、終端フロー装置にも使用され得る。それらは、単一経路および複数経路の適用に使用し得る。
【００７２】
単一の中空ファイバー膜、または数中空ファイバー膜(例えば、２、３、または４つの膜)を含むフィルター装置の実施態様は、特に、小体積の流体が濾過される適用であり得る。
【００７３】
適用には、気体および／または液体の濾過、例えば、水の濾過(例えば、自治体の水からの粒子および／または微生物の除去、またはマイクロエレクトロニクスのための精製水の調製)、着色料、廃液の濾過、および血液のような体液を含む他の流体からの粒子、発熱物質、ウイルスおよび／または微生物の除去が含まれる。好ましい実施態様では、当該膜は、タンパク質濃縮および精製のため、例えば、細胞および望ましくない細胞性物質から細胞発現産物を単離する、例えば、生物薬剤学的適用のための流体の濾過に有用である。他の適用には、例えば、細胞−ウイルス分離、細胞−高分子分離、ウイルス−高分子分離、高分子−高分子分離、分子種分子種分離、および高分子−分子種分離が含まれる。
【００７４】
上記のように、本発明の中空ファイバー膜、すなわち、外側表面および外側部分のポアよりも大きいポアを内側表面および内側部分に有する中空ファイバー膜は、効率的な濾過物(透過物中に、より小さな分子および／または分子種が通過し得る一方、より大きな分子、分子種および／または断片を阻止し、保持し、および／または捕捉する)を提供し、そして増大した能力（capacity）および付着物に対する耐性を提供する。好ましい実施態様では、より大きな分子または分子種を効率的に保持する一方、より小さな目的の分子または分子種を高濃度または高スループットで通過し得る。
【００７５】
加えて、本発明の実施態様の膜は、約５から１(すなわち、より小さな分子から、より大きな分子を分別し、ここで、そのより大きな分子は、より小さな分子よりも約５倍のサイズである)またはそれ未満の割合でサイズの異なる分子を分別するのに使用し得る。より好ましくは、幾つかの実施態様は、約３から１またはそれ未満の割合でサイズの異なる分子を分別するのに使用し得、幾つかの実施態様では、約２から１またはそれ未満の割合でサイズの異なる分子を分別するのに使用し得る。
【００７６】
類似の適用に使用する通常の中空ファイバー装置(内側表面により小さなポアおよび外側表面により大きなポアを有する膜を有する)と比較すると、本発明の実施態様(ここで、本発明の膜のポアサイズは、通常の中空ファイバー膜と同じものである)は、少なくとも１つの、より高い流動、より高い高分子の透過、およびより高い分子種の透過を有し、幾つかの実施態様では、通常の装置の約１．５または２倍大きくなる。更に、これらの改善は、通過膜圧(ＴＭＰ)の実質的増加なく、行い得る。
【００７７】
許容量に関しては、例えば、膜の単位面積あたりに生ずる透過物の体積に関しては、本発明の実施態様は、より高い許容量を提供し、幾つかの実施態様では、同じ適用で使用する通常の装置であって同じポアサイズを有する膜を有する当該装置の約２、４、５または更に約６倍となる。
【００７８】
本発明のフィルター装置の実施態様には、少なくとも１つの、より典型的には、多数の、ハウジング内に配置された中空ファイバーが含まれ、当該ハウジングは、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含んでいる。例えば、１つのフィルター装置、好ましくはデッド・エンド濾過適用において利用する装置は、入口および出口を有し当該入口と当該出口との間の流体流動経路を決定するハウジング、および流体流動経路と交差して配置する１つまたはそれより多い多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバーを含むフィルター、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバーは、粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有し、当該ファイバーは、当該内側表面から当該外側表面へ連続的なアシンメトリー構造を有し；ここで、当該ハウジングは、流体が、入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバーの内側表面および外側表面を通り、そして出口を通るように当該流体を方向付けるように配置される。
【００７９】
他のフィルター装置、好ましくは接線方向フロー濾過(TFF)適用に利用される当該装置は、入口、第一出口および第二出口を有し当該入口と当該第一出口との間の第一流体流動経路ならびに入口と第二出口との間の第二流体流動経路を決定するハウジング；第一流体流動経路と交差し実質的に第二流体流動経路に平行に配置する１つまたはそれより多い多孔性アシンメトリー中空ポリマーファイバーを含むフィルター、ここで、それぞれの多孔性アシンメトリー中空ファイバーは、粗大な構造を有する内側表面および緻密な構造を有する外側表面を有し、当該ファイバーは、当該内側表面から当該外側表面へ連続的なアシンメトリー構造を有し；ここで、当該ハウジングは、流体の一部が、入口から、多孔性アシンメトリー中空ファイバーの内側表面および外側表面を通り、そして第一出口を通るように当該流体を方向付け、そして流体の他の部分が、入口から、内側表面に実質的に平行に、そして第二出口を通るように当該流体を方向付けるように配置される。
【００８０】
図４は、TFF適用用のフィルター装置５００の実施態様の断面図を示し、その図には、ハウジング１５、入口１０、第一出口１１、第二出口１２および多数の中空ファイバー膜２１を含むフィルター２０が含まれており、当該図はまた、第一および第二流体流動経路を示している。
【００８１】
フィルター装置用のハウジングは、処理する流体と適合する、任意の熱可塑性物質のような任意の適当な不浸透性物質、好ましくは剛体物質から作製され得る。例えば、当該ハウジングは、金属からまたはポリマーから作製され得る。好ましい実施態様では、当該ハウジングはポリマーであり、好ましくは、アクリル、ポリプロピレン、ポリスチレンまたはポリカーボネート化樹脂のような透明または半透明のポリマーである。そのハウジングは容易にそして経済的に作製され、当該ハウジングを通る液体の経路を観察することができる。
【００８２】
中空ファイバー膜は、当分野に既知なように、ハウジング内にシールされるかまたはポットされ得る。典型的なシーラントまたはポッティング物質には、例えば、ウレタンおよび／またはエポキシのような接着剤が含まれる。
【００８３】
本発明のシステムの典型的な実施態様には、上記のような少なくとも１つのフィルター装置、多数の導管、少なくとも１つのポンプ(幾つかの実施態様では、例えば、細胞および／またはウイルス分離が含まれ、ここで、濾液速度は制御されおよび／または測定され、システムは典型的には少なくとも１つの更なるポンプを含む)、および少なくとも１つのコンテナーまたはリザーバーが含まれる。より典型的に、接線方向のフロー濾過のシステムの実施態様には、フィードリザーバ−および濾液リザーバーが含まれる。
【００８４】
以下の実施例は本発明を更に解説するが、もちろん、決して本発明の範囲を制限するために構成されるものではない。
【００８５】
それぞれの以下の実施例では、アシンメトリー性統合中空ファイバーポリマー膜の実施態様は、ポリマースピンニングドープを調製することにより製造し、ここで、当該成分を混合し、当該混合物を約２４時間室温で攪拌し、均質溶液を得る。当該均質溶液を濾過し、真空で脱気し、スピンニングドープを得、その後、スピンニングノズルに通過させる。
【００８６】
使用する中空ファイバースピンニングノズルは、図２および３に一般的に示すような３つのオリフィスを有する；ボア注入流体のための中央オリフィス１、および２つの同心環状オリフィス、スピニングドープを押出すための中央オリフィスの周囲の第一環状オリフィス２、および凝固媒体を通過させるための第二または外側環状オリフィス３。当該中央オリフィスは外径(ＯＤ)１０００μｍを有し、第一環状オリフィスは内径(ＩＤ)１５００μｍおよびＯＤ１８００μｍを有し、そして第二または外側環状オリフィスはＩＤ１８００μｍを有する。
【００８７】
当該ドープは、圧力の下、第一環状経路から押出される一方、窒素ガスは、圧力の下、中央オリフィスを通過し、脱イオン(ＤＩ)水(実施例１−５では凝固媒体)、またはＮ−メチル２−ピロリドン／水 溶液(実施例６では凝固媒体)、またはエタノール／水 ５０／５０ 溶液(実施例７では凝固媒体)は、外側環状オリフィスを通過する。プレファイバーが第一環状オリフィスから押出されるため、外側環状オリフィスを通過する凝固媒体は、プレファイバーの外側表面と接触する。
【００８８】
プレファイバーは、スピンニングノズルの先端から回転レシービングプレートへと通過し、ここで、当該ファイバーは、ファイバーから溶媒を除くのを促進するため、および乾燥を防止するため、ＤＩ水でスプレーされる。当該スピンニングノズルの先端とレシービングプレートとの間の距離は６００ｍｍである。当該ファイバーはＤＩ水中に一夜洗浄し、３０％グリセリン／水 溶液中に２４時間置き、９０°Ｆ(３２℃)で１２時間乾燥する。
【実施例】
【００８９】
実施例１
この実施例は、本発明の中空ファイバー膜の実施態様を調製する方法を解説する。
【００９０】
ポリマースピンニングドープは、15:20:55:10の重量比で混合したポリエーテルスルホン(Radel A ポリエーテルスルホン; Amoco, Alpharetta, GA)、ポリビニルピロリドン(PVP K15; ISP Technology, Inc.; Wayne, NJ)、Ｎ−メチル−２−ピロリドン(Sigma-Aldrich; St. Louis, MO)およびグリセリン(Sigma-Aldrich)から調製する。
【００９１】
温度７０°Ｆ(２１℃)のドープは、９０ｐｓｉ(約６２０ｋＰａ)の圧力の下、第一環状オリフィスから押出す。温度７０°Ｆ(２１℃)の窒素ガスは、５ｐｉｓ(約３５ｋＰａ)の圧力の下、中央オリフィスを通過し、温度７０°Ｆ(２１℃)で流速９０ｃｃ／ｍｉｎのＤＩ水が外側環状オリフィスを通過する。
【００９２】
得られた膜は、内径１０００μｍ、外径１８００μｍ、壁厚４００μｍ、分子量カットオフ３０ｋＤａを有する。
【００９３】
図１に示すＳＥＭに表すように(倍率４５０×)、当該膜は、実質的にマクロボイドがなく、内側表面と外側表面との間の断面と交差する連続的アシンメトリー性構造を有し、ここで、中空ファイバーの内側表面には大きなポアを有し、外側表面には小さなポアを有する。
【００９４】
実施例２
この実施例は、本発明の中空ファイバー膜の他の実施態様を調製する方法を解説する。
【００９５】
当該膜は、スピンニングドープを、重量比２２：２０：４８：１０で混合したポリエーテルスルホン(Radel A ポリエーテルスルホン; Amoco)、ポリビニルピロリドン(PVP K15, ISP Technology, Inc.)、Ｎ−メチル−２−ピロリドン(Sigma-Aldrich)、およびグリセリン(Sigma-Aldrich)から調製することを除き、実施例１で調製する当該膜と類似の方法で調製する。
【００９６】
得られた膜は、内径１０００μｍ、外径１８００μｍ、壁厚４００μｍ、および分子量カットオフ１０ｋＤａを有する。
【００９７】
実施例３
この実施例は、本発明の中空ファイバー膜の他の実施態様を調製する方法を解説する。
【００９８】
当該膜は、流速９０ｃｃ／ｍｉｎでノズルの外側環状オリフィスを通過するＤＩ水が温度１５５°Ｆ(６８℃)であることを除き、実施例１で調製した膜と類似の方法で調製する。
【００９９】
得られた膜は、内径１０００μｍ、外径１８００μｍ、壁厚４００μｍ、および分子量カットオフ５０ｋＤａを有する。
【０１００】
実施例４
この実施例は、本発明の中空ファイバー膜の実施態様を調製する方法を解説する。
【０１０１】
ポリマースピンニングドープは、重量比１６：２５：４９：１０で混合したポリエーテルスルホン(Radel A ポリエーテルスルホン; Amoco)、ポリビニルピロリドン(PVP K15, ISP Technology, Inc.)、Ｎ−メチル−２−ピロリドン(Sigma-Aldrich)、およびホルムアミド(Sigma-Aldrich)から調製する。
【０１０２】
温度７０°Ｆ(２１℃)のドープは、６０ｐｓｉ(約４１３ｋＰａ)の圧力で、第一環状オリフィスから押出す。温度７０°Ｆ(２１℃)の窒素ガスは、５ｐｉｓ(約３５ｋＰａ)の圧力で、中央オリフィスを通過し、温度７０°Ｆ(２１℃)で流速９０ｃｃ／ｍｉｎのＤＩ水が外側環状オリフィスを通過する。
【０１０３】
得られた膜は、内径１０００μｍ、外径１８００μｍ、壁厚４００μｍ、および分子量カットオフ１０ｋＤａを有する。
【０１０４】
実施例５
この実施例は、本発明の中空ファイバー膜の他の実施態様を調製する方法を解説する。
【０１０５】
当該膜は、流速９０ｃｃ／ｍｉｎで外側環状オリフィスを通過するＤＩ水(凝固媒体)が温度１５５°Ｆ(６８℃)であることを除き、実施例４で調製した膜と類似の方法で調製する。
【０１０６】
得られた膜は、内径１０００μｍ、外径１８００μｍ、壁厚４００μｍ、および分子量カットオフ５０ｋＤａを有する。
【０１０７】
実施例１−５は、凝固媒体がポアサイズに影響を与える温度を示し、凝固媒体の温度が上昇すれば、ポアサイズも増える。
【０１０８】
実施例６
この実施例は、本発明の中空ファイバー膜の他の実施態様を調製する方法を解説する。
【０１０９】
当該膜は、外側オリフィスを通過する凝固媒体が７２ｗｔ．％ Ｎ−メチル−２−ピロリドン／水 溶液であることを除き、実施例４で調製した膜と類似の方法で調製する。
【０１１０】
得られた膜は、内径１０００μｍ、外径１８００μｍ、壁厚４００μｍ、および平均ポアサイズレーティング０．１μｍを有する。
【０１１１】
当該実施例は、微量濾過膜が、本発明により調製され得ることを示す。
【０１１２】
実施例７
この実施例は、本発明の中空ファイバー膜の他の実施態様を調製する方法を解説する。
【０１１３】
当該膜は、スピンニングドープは、15:22:58:5の重量比で混合したポリビニリデンフルオリド(PVDF)(Kynar(商標)761; ATOFINA Chemicals, Philadelphia, PA)、ポリビニルピロリドン(PVP K15; ISP Technology, Inc.)、Ｎ−メチル−２−ピロリドン(Sigma-Aldrich)およびリチウムクロライド(Sigma-Aldrich)から調製し、凝固媒体はＤＩ水ではなくてエタノール／水 ５０／５０溶液であることを除き、実施例１で調製した膜と類似の方法で調製する。
【０１１４】
得られた膜は、内径１０００μｍ、外径１８００μｍ、壁厚４００μｍ、および分子量カットオフ１００ｋＤａを有する。
【０１１５】
当該実施例は、アシンメトリー性中空ファイバーＰＶＤＦ膜は本発明により調製され得ることを示す。
【０１１６】
実施例８
この実施例は、本発明のアシンメトリー性中空ファイバー膜の実施態様を使用する濾過効率を解説する。
【０１１７】
当該膜は、実施例４に記載のように調製し、約１２インチ(約３０．５ｍｍ)の長さの２０のファイバーを、図４に一般的に示すようにインサイド-アウトフロー用のハウジング内に配置する。
【０１１８】
比較のため、内側表面により小さいポアを有し外側表面により大きなポアを有する通常の膜を得、ここで、これらの膜はまた、分子量カットオフ１０ｋＤａを有する。１２インチ(約３０．５ｍｍ)の長さの２０のファイバーをインサイド-アウトフロー用のハウジング内に配置する。
【０１１９】
当該膜は名目上０．２１ｆｔ２の表面積を有する。
【０１２０】
当該装置は、非透過物再循環流速550ml/minで操作され、膜内外圧10psiおよび当該膜は、１５ｋＤａおよび３０ｋＤａ分子マーカーで試験する(challenge)(それぞれ1gm/liter濃度で)。
【０１２１】
通常の膜における１５ｋＤａおよび３０ｋＤａの試験(challenge)溶液の溶質流量(solu
te flux)は、３５および２２ＬＭＨ(liter/meter2/hour)である。
【０１２２】
本発明の膜における１５ｋＤａおよび３０ｋＤａの試験溶液の溶質流量は、５３および３８ＬＭＨである。
【０１２３】
本実施例は、同じ適用で使用する場合、本発明の実施態様により作成した膜は、同じ分子量カットオフを有するが内側表面ではより小さなポアを有し外側表面ではより大きなポアを有する膜と比較すると、溶質流量が増加することを解説する。
【０１２４】
本明細書で引用する、刊行物、特許出願、および特許権を含む全ての引用文献は、それぞれの引用文献が個々に特定して示され引用により組込まれ、本明細書にその全体が開示されるかのように、同程度に本明細書に組込まれる。
【０１２５】
本発明を記載する文書中(特に、特許請求の範囲の文書中)、単数を示す用語およびそれを示す類似の用語の使用は、特記しない限り、または文書中で明らかに抵触しない限り、単数および複数の両方を含むと解釈すべきである。本明細書の値の範囲の記載は、特記しない限り、当該範囲内に含まれるそれぞれ個別の値に個々に言及することの簡略法(shorthand method)としての役割をすることを単に目的としているのであり、それぞれ個別の値は、個々に記載されているかのように、明細書中に組込まれる。本願に記載のすべての方法は、特記しない限り、または文書中で明らかに抵触しない限り、任意の適当なオーダーで行われ得る。任意のおよび全ての例または本願で提供する典型的な言葉(例えば、「のような」)の使用は、単に本発明をより明らかにすることを目的とし、特記しない限り本発明の範囲の制限を主張するものではない。本明細書中の如何なる用語も、本発明の実施に必須の要素を放棄することを示すと解釈されてはならない。
【０１２６】
本発明の好ましい実施態様は本願に記載され、本発明を実施する発明者に既知の最善の形式が含まれる。もちろん、種々のこれら好ましい実施態様は、先の記載を読めば当業者には明らかとなる。発明者は、種々のものを適当に用いる当業者を予期しており、当該発明者は、特に本明細書に記載とは異なる、実施されるべき発明を意図する。従って、本発明には、全ての修飾発明、および適用される法律により許容される故に本願添付の特許請求の範囲に再引用する対象の均等発明が含まれる。さらに、それら全ての可能な変形型の上記エレメントの任意の組合せには、特記しない限り、または文書により明らかに抵触しない限り、本発明に含まれる。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004525755.tif 000037
2004525755.tif 000038
2004525755.tif 000039