(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の所定物質の処理のための膜モジュールであって、
ａ）縦方向の延びを有しているケーシング（１）を備えており、
ｂ）このケーシング内で大体においてケーシング（１）の縦方向の延びの方向に配置されていて、多孔質の組織を有している半透過性の壁を備えている中空繊維膜（２；１９，２０）を備えており、その際各中空繊維膜（２；１９，２０）は、第１の端部（３）及び第２の端部（５）と、少なくとも１つの、その縦軸線に沿って延びている内腔（９）とを有しており、その際各中空繊維膜は単にその第１の端部（３）においてだけ鋳造体（４；２１，２２；２３，２６）によってケーシング（１）内に埋め込まれていて、その第２の端部（５）においては大体において自由に沿流可能であり、かつその際中空繊維膜（２；１９，２０）は、ケーシング（１）の内壁によってかつ鋳造体（４；２１，２２；２３，２６）によって仕切られた外室（１０；２５，２７）によって取り囲まれていて、それぞれ、その少なくとも１つの内腔に向いた内側と、外室（１０；２５，２７）に向いた外側とを有しており、
ｃ）処理すべき流体（６）をケーシング（１）内に導入するための少なくとも１つの流入装置（７，１３）を、単に中空繊維膜（２；１９，２０）の両方の側の一方（内側又は外側）だけに備えており、
ｄ）処理された流体（１２）をケーシング（１）から導出するための流出装置（１１）を備えており、その際流出装置（１１）は中空繊維膜（２；１９，２０）の回りの外室（１０）に向かって開かれている、
形式のものにおいて、中空繊維膜（２；１９，２０）の内腔（９）が中空繊維膜の第２の端部（５）において開かれていて、外室（１０；２５，２７）内に開口していることを特徴とする、流体の所定物質の処理のための膜モジュール。
【請求項２】
少なくとも１つの流入装置（１３）が外室（１０）内に開口していて、鋳造体（４）に隣接していることを特徴とする、請求項１記載の膜モジュール。
【請求項３】
中空繊維膜（２）の内腔（９）が中空繊維膜の埋め込まれている第１の端部（３）において閉じられていることを特徴とする、請求項２記載の膜モジュール。
【請求項４】
少なくとも１つの流入装置（７）が分配室（８）に接続されており、この分配室は端面側で鋳造体（４；２１，２２；２３，２６）に隣接せしめられており、かつ鋳造体（４；２１，２２；２３，２６）によって空間的に外室（１０；２５，２７）から隔てられていることを特徴とする、請求項１記載の膜モジュール。
【請求項５】
分配室（８）が中空繊維膜（２；１９，２０）の内腔（９）に接続しており、中空繊維膜はその第１の端部（３）をもって鋳造体（４；２１，２２）を貫通しており、かつこの端部において開かれていることを特徴とする、請求項４記載の膜モジュール。
【請求項６】
分配室（８）が、鋳造体内に取り付けられた通し部（２４；２８，２９）を介して、中空繊維膜（２；１９，２０）の回りの外室（１０；２５，２７）に接続しており、中空繊維膜（２；１９，２０）の内腔（９）が中空繊維膜の埋め込まれている第１の端部（３）において閉じられていることを特徴とする、請求項４記載の膜モジュール。
【請求項７】
通し部（２４；２８，２９）が流体を通すエレメントであることを特徴とする、請求項６記載の膜モジュール。
【請求項８】
流体を通すエレメントが毛細管あるいは小管であることを特徴とする、請求項７記載の膜モジュール。
【請求項９】
少なくとも１つの流入装置（１３）が外室（１０）内に開口していて、鋳造体（４）に隣接せしめられており、少なくとも１つの流入装置（７）が分配室（８）に接続しており、この分配室は端面側で鋳造体（４）に隣接せしめられていて、鋳造体（４）によって空間的に外室（１０）から隔てられており、この分配室（８）は中空繊維膜（２）の内腔（９）に接続しており、中空繊維膜はその第１の端部（３）をもって鋳造体（４）を貫通していて、この端部において開かれていることを特徴とする、請求項１記載の膜モジュール。
【請求項１０】
１つの束の中空繊維膜（２；１９，２０）が相互にスペーサによって間隔を保たれることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の膜モジュール。
【請求項１１】
複数の中空繊維膜が紡績糸によって少なくとも１つの中空繊維マットとなるように結合されていて、この場合、これらの中空繊維膜は少なくとも１つのマット内で前記糸によって相互に間隔を保たれて、ほぼ互いに平行に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の膜モジュール。
【請求項１２】
ケーシング（１）内に、中空繊維膜（１９，２０）の縦方向の延びの方向に、複数の中空繊維膜（１９，２０）の束（１７，１８）が段として互いに前後に配置されていることを特徴とする、請求項１０又は１１記載の膜モジュール。
【請求項１３】
中空繊維膜（２；１９，２０）が膜体積１ｃｍ３当たり２ｍ２と３００ｍ２との間のＢＥＴ表面を有していることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の膜モジュール。
【請求項１４】
ＢＥＴ表面が膜体積１ｃｍ３当たり８ｍ２と３０ｍ２との間であることを特徴とする、請求項１３記載の膜モジュール。
【請求項１５】
中空繊維膜（２；２９，２０）がセルロース、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリスルフォン、ポリテトラフルオルエチレンあるいはポリ弗化ビニリデンあるいはこれから得られた変態物、ブレンド、混合物あるいは共重合体から成っていることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項記載の膜モジュール。
【請求項１６】
中空繊維膜（２；１９，２０）上及び又は内に、所定物質に作用する基が固定されていることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか１項記載の膜モジュール。
【請求項１７】
所定物質に作用する基が、処理すべき流体からリガートを分離するためのリガンドであることを特徴とする、請求項１６記載の膜モジュール。
【請求項１８】
所定物質に作用する基が触媒であることを特徴とする、請求項１６記載の膜モジュール。
【請求項１９】
請求項１に記載した膜モジュールを使用して、流体を所定物質処理する方法であって、その際中空繊維膜（２；１９，２０）はその都度、少なくとも１つの内腔（９）に向いている内側と、外室（１０；２５，２７）に向いている外側とを有している形式のものにおいて、少なくとも次の段階：
ａ）処理すべき流体（６）をケーシング（１）内に導入すること、
ｂ）処理すべき流体（６）を一次流の中空繊維膜（２；１９，２０）の側の１つに沿って導いて、この一次流の一部分が透過流としてこの一方の側を経て中空繊維膜（２；１９，２０）の壁内に流入し、壁を通ってその都度他方の側に貫流し、その際処理すべき流体の、透過流を形成する部分において流体の所定物質の処理が行われ、次いで他方の側を通って壁から流出するようにすること、
ｃ）中空繊維膜（２；１９，２０）の壁を通って貫流せしめられる透過流を、所定物質の処理の後に、中空繊維膜（２；１９，２０）の一方の側において流れる一次流と引き合わせること、
ｄ）処理された流体（１２）の、一次流と透過流とから引き合わされた流れをケーシング（１）から導き出すこと、
を含んでいる、流体を所定物質処理する方法。
【請求項２０】
段階ｂ）及びｃ）を複数回実施することを特徴とする、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
流体の処理を、複数の、中空繊維膜（２；１９，２０）の縦方向の延びの方向で空間的に段として互いに前後に配置された中空繊膜膜（２；１９，２０）の束（１７，１８）内で実施することを特徴とする、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
段の数が１と１００との間であることを特徴とする、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
処理すべき流体（６）を再循環させることを特徴とする、請求項１９から２２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２４】
処理すべき流体が懸濁液であることを特徴とする、請求項１９から２３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２５】
親和力によってリガートを含有している液体からリガートを純化／分離する方法において、その上及び又は中にリガートのためのリガンドが固定されている中空繊維膜（２；１９，２０）を選びだし、請求項１９から２４までのうちの単数又は複数による方法を実施することを特徴とする、リガートを含有している液体からリガートを純化／分離する方法。
【請求項２６】
その上及び又は中に触媒が固定されている中空繊維膜（２；１９，２０）を使用し、請求項１９から２４までのうちの単数又は複数による方法を実施することを特徴とする、流体を触媒処理する方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、流体の所定物質の処理のための膜モジュールであって、
ａ）縦方向の延びを有しているケーシングを備えており、
ｂ）このケーシング内で大体においてケーシングの方向の延びの方向に配置されていて、多孔質の組織を有している半透過性の壁を備えている中空繊維膜を備えており、その際各中空繊維膜は、第１の端部及び第２の端部と、少なくとも１つの、その縦軸線に沿って延びている内腔とを有しており、その際各中空繊維膜は単にその第１の端部においてだけ鋳造体によってケーシング内に埋め込まれていて、その第２の端部においては大体において自由に沿流可能であり、かつその際中空繊維膜は、ケーシングの内壁によってかつ鋳造体によって仕切られた外室によって取り囲まれていて、それぞれ、その少なくとも１つの内腔に向いた内側と、外室に向いた外側とを有しており、
ｃ）処理すべき流体をケーシング内に導入するための少なくとも１つの流入装置を、単に中空繊維膜の両方の側の一方（内側又は外側）だけに備えており、
ｄ）処理された流体をケーシングから導出するための流出装置を備えており、その際流出装置は中空繊維膜の回りの外室に向かって開かれている、
形式のものに関する。
流体の所定物質の処理は、バイオテクノロジー、医学あるいは化学テクノロジーのような利用分野において次第に重要性を獲得して来ている。流体とはこの場合ガス、ガス混合物並びに一般に蛋白質溶液、前濾過された懸濁液あるいは清澄な溶液のような液体を含むものとする。所定物質の処理の一例は、遺伝子変更せしめられた細胞が抗体、ホルモン、発育因子あるいは酵素のような物質を大抵は小さな濃度で生産している細胞懸濁液から作用物質を採取することである。１つの重要な適用は、また、不所望の物質を人間の血漿から体外除去すること並びに例えば免疫グロブリンあるいは血液凝固因子のような成分を献血された血漿から採取することである。最後にまた、広く行われている適用は、例えば基質に固定されたリパーゼによる油の加水分解のような、触媒による、あるいはバイオ触媒による−酵素による−液体の処理である。
流体の所定物質の処理はしばしば次のように行われる。すなわち、処理すべき流体を支持材料と接触させ、特殊な、選択的な形式で、流体内に含まれている目的物質、つまり所定物質の処理を行おうとする物質と相互作用する基又は物質上及び又は内で固定する。このような相互作用は例えば陽イオン又は陰イオンの交換、親水性と疎水性との相互作用、水素結合、親和力又は酵素あるいは触媒による反応などである。例えば親和力クロマトグラフィーのような親和力による物質分離においては、支持材料にリガンドが連結されあるいは支持材料内に固定されており、このリガンドは、個々の目的物質あるいはまた全クラスの物質を吸着により特定的に結合する機能を有している。この目的物質はリガートと呼ばれる。所定クラスのリガンドの一例は正に帯電したジエチルアミノエチル（ＤＥＡＥ）基又は負に帯電したスルホン酸（ＳＯ３）基であって、正に帯電した若しくは負に帯電した分子の基を吸着する。特異的なリガンドは例えばリガートとして抗体に結合される特定の蛋白質に対する抗体である。
流体の所定物質の処理における重要な判断基準は生産性と選択制とである。生産性に関して重要なことは、処理すべき流体内に含まれている目的物質と相互作用することのできる可及的に多くの所定物質に作用する基を単位体積当たりに有していることである。同時に所定物質に作用する基若しくは物質への目的物質の搬送の最大化を目指して努力しなければならない。
親和力クロマトグラフィーにおいてしばしば使用されるリガンドのための支持材料は、クロマトグラフィー柱内のばら積み物の形で存在するセファローゼ（Sepharose：商品名）粒子である。この場合リガンドの高い濃度を高い選択性をもって実現することができるが、生産性は粒子柱の高い圧力損失及びセファローゼ粒子の圧縮性のために周知のようにわずかである。更にセファローゼ粒子内に含まれているリガンドへのリガートの接近は拡散制御されており、これによって特に例えば蛋白質のような大きな粒子を分離する場合に、拡散速度がわずかであるために長い滞在時間ひいては単にわずかな通過量及びわずかな生産性がもたらされる。
対流によって貫流することができる剛性の、多孔質の粒子から成る改善されたクロマトグラフィー柱材料はUS-A-5 019 270に記載されている。この粒子は前述した柱材料と異なって滞在時間の減少及び生産性の増大を可能にする。それにもかかわらずこの粒子で満たされたクロマトグラフィー柱も不均一な貫流を有しており、この不均一な貫流は、クロマトグラフィー柱内に存在しているすべてのリガンドの均一な利用に関して負に作用する。更に必要な圧力の技術的な制御は直径が増大するに連れて高価になる。
粒子状の支持材料の前述の欠点は多孔質の半透過性の膜を使用して流体の所定物質の処理を行う一連の方法を発展させた。その多孔質の構造によって、膜は大きな内面を有しており、したがって膜には、単位体積当たり高い濃度で多数の官能基を連結しておくことができ、これらの基は膜を貫流する処理すべき流体と相互作用をする［例えばE．Klein,“Affinity Membranes”（親和力性の膜），John Wiley & Sons，Inc．発行，１９９１年；S．Brandtほか，“Membrane-Based Affinity Technologie for Commercial Scale Purifications”（工業規模の純化のための膜に基づく親和力テクノロジー），Bio/Technology第６巻（１９９８年）７７９〜７８２ページを見よ］。
極めて種々異なる材料から成り、種々の多孔質構造を有する膜があり、処理すべき流体の物理化学的な性質への適合及び例えばその中に含まれている目的物質を有する処理すべき流体を膜を通して対流によって搬送することが可能である。更に膜はその一般に極めてわずかな壁厚（例えば＜１００μｍ）によって、例えば膜内に固定されている相互作用をする基への処理すべき流体の搬送距離が短いことで優れており、これによって滞在時間が比較的に短く、圧力損失がわずかであり、流れ速度が直線的であり、ひいては結合率が高い。
このような膜を包含していて、流体の所定物質を処理する方法に使用される一連のモジュールが記載されている。この場合、いわゆるデッドエンド方式若しくはデッドエンドモジュールとクロスフロー方式若しくはクロスフローモジュールとを区別することができる。
クロスフロー方式の場合には、供給流は膜の一方の側に対して平行に流れる。この場合供給流の一部分が膜を貫通する。貫通した部分流は透過流として導出され、供給流側に残っている部分流は停滞流として導出される。この場合膜の透過流側にも付加的な流体流を導入することができ、この流体流は膜を貫通した部分流を受容する。
デッドエンド方式ではこれに対し供給流として膜モジュール内に流入する流体全体が膜を通して導かれ、膜の流入側とは逆の排流側で濾過流若しくは透過流として導出される。
中空繊維膜をベースとするデッドエンド膜モジュールはしばしば超濾過あるいはマイクロ濾過の領域で使用され、かつしばしば例えば液体のガス化のために使用される。例えばEP-A-0 138 060あるいはEP-A-0 659 468に記載されているような、これらの膜モジュールの一部においては、中空繊維膜はＵ形に曲げられており、その端部は一緒に鋳造体内に埋め込まれていて、開かれている。ガス若しくは濾過すべき液体は例えば開いている端部を経て中空繊維膜の内腔内に流入し、圧力差に基づいて中空繊維膜の外室内に透過する。濾過に使用する場合には、濾別された成分は膜内にとどまる。
デッドエンド膜モジュールの別の構造では、中空繊維膜は大体において直線状にケーシング内に配置されており、それらの一方の開かれている端部は一緒に鋳造体内に埋め込まれており、これに対しそれらの第２の端部は自由であって、換言すれば埋め込まれていない。中空繊維膜の埋め込まれていない端部はこれらのモジュールにおいては閉じられている。このような膜モジュールは例えばUS-A-4 002 567，US-A-4 547 289，EP-A-0 138 060あるいはEP-A-0 732 142に記載されている。
すべてのデッドエンド膜モジュールにおいて欠点であることは、例えば懸濁液内に含まれている粒子が小孔直径の大きさである場合に、懸濁液の処理にしばしば適していないことである。これらの粒子は膜壁上に層を構成し、膜をブロックすることになる。例えば懸濁液のための親和力分離法において使用するためには、このようなデッドエンドモジュールは前接続された前純化段との組み合わせでしか運転することができない。これによってこのような方法は、しかしながら、例えば多くの場合このような前純化によって目的物質の大部分が失われることによっても、効果性を喪失する。
デッドエンド方式で運転されるモジュールの、例えば懸濁液におけるその使用可能性に関するこれらの欠点は、少なくとも部分的にクロスフローモジュールを使用する場合には回避することができる。クロスフローモジュールにおいては、膜表面に対して平行に流れる供給流による充分に大きな剪断応力で、懸濁された粒子から成る層の構成を減少させることができる。
WO 90/05018は、親和力分離法に使用するための中空繊維膜を有するクロスフローモジュールを開示している。この場合リガートを含有している液体は流入装置を介してモジュールケーシング内に導入され、その中にかつそれにリガンドが連結されているところの中空繊維膜の側に沿って接線方向に流れる。液体の一部は膜を通して透過し、その際リガートがリガンドに付加反応せしめられ、膜の流入側とは逆の側で透過流として出る。別個の流出装置を介して、停滞流及び透過流が導出される。
クロスフロープロセスの変化例がWO 93/02777に記載されている。血液から成分を特別に除去するために、Ｕ形に曲げられ、それらの端部を、特別に形成されたケーシング内に埋め込まれている中空繊維膜から成る血漿フィルタが役立つ。これらの中空繊維膜は内腔側を血液によって貫流され、所定物質の処理は、膜によって分離された血漿において、ケーシング内の中空繊維膜の回りの、純化剤がある外室内で行われる。膜束は流入分枝と流出分枝とに分割されている。流入分枝の範囲において生ずる正の膜横断圧力によって、外室内への膜を通る血漿の対流による搬送が行われる。流出分枝の範囲において、処理された血漿はそこに生ずる負の膜横断圧力によって中空繊維膜の内腔内に流れ戻り、再び血液と一緒にされる。
EP-A-0 341 413には完全血を処理するための吸着モジュールが記載されており、この吸着モジュールにおいては、モジュール内に含まれていて、両方の端部を鋳造体内に埋め込まれかつリガンドを備えている中空繊維膜がクロスフロー方式で内腔側を血液によって貫流される。この場合血漿は透過流として中空繊維膜壁を通って中空繊維膜を取り囲む外室内に入り、その際膜壁内で血漿の処理が行われる。特別な実施例では、このモジュールは透過流のための出口を有しておらず、透過流として分離された血漿は毛細管の回りの外室内に集まり、生ぜしめられる圧力条件によって再び中空繊維膜壁を通って中空繊維膜の内腔内に入る。このようなモジュール構想においては透過流は膜壁を２回通過しなければならないことによって、この透過流ひいては所定物質の処理を受ける血漿部分は比較的に小さい。この結果、必要な処理時間もかなり長い。
クロスフロー方式で運転される前述のモジュールは種々の欠点を有している。例えば、透過流と停滞流とが分離されている場合には付加的なポンプ及び又は制御機構が必要である。更にこれらのモジュールは、中空繊維膜の両側の端部が埋め込まれていることによって、製作費が高価であり、かつこの埋め込みによって、モジュールの長さがよりわずかになると、所定物質の処理に関して機能のない膜部分の割合が増大する。クロスフローモジュールにおいては、全体として処理すべき流体の単に部分流だけが膜を通して導かれるので、しばしば複数のモジュールを互いに前後に接続することが必要である。しかしながらその場合、従来技術のクロスフローモジュールの製作及び運転の費用が著しく増大する。
したがって本発明の課題は、最初に述べた形式の流体の所定物質の処理のための膜モジュールにおいて、前述の従来技術の欠点が少なくとも減少せしめられ、製作が簡単であるようにし、その都度の流体処理にフレキシブルに適合させることができるようにし、特に懸濁液にも適しているようにすることである。
更に本発明の課題は、多孔質構造の半透過性の膜を使用して流体の効果的な所定物質の処理を行う方法において、前述の欠点を少なくとも減少させることである。
この課題は請求項１の上位概念による膜モジュールにおいて、中空繊維膜の内腔がそれらの第２の端部において開かれていて、外室内に開口していることによって解決される。
更にこの課題はこの膜モジュールを使用して、流体を所定物質処理する方法であって、その際中空繊維膜はその都度、少なくとも１つの内腔に向いている内側と、外室に向いている外側とを有している形式のものにおいて、少なくとも次の段階：
ａ）処理すべき流体をケーシング内に導入すること、
ｂ）処理すべき流体を一次流として中空繊維膜の側の１つに沿って導いて、この一次流の一部分が透過流としてこの一方の側を経て中空繊維膜の壁内に流入し、壁を通ってその都度他方の側に貫流し、その際処理すべき流体の、透過流を形成する部分において流体の所定物質の処理が行われ、次いで他方の側を通って壁から流出するようにすること、
ｃ）中空繊維膜の壁を通って貫流せしめられる透過流を、所定物質の処理の後に、中空繊維膜の一方の側において流れる一次流と引き合わせること、
ｄ）処理された流体の、一次流と透過流とから引き合わされた流れをケーシングから導き出すこと、
を含んでいるようにすることによって、解決される。
この場合本発明の意味における中空繊維膜とは、例えば膜ホースあるいは膜管のような膜形状も含むものとする。処理すべき流体は一般に、所定物質の処理が行われる特定の物質又は目標物質を含んでいる流体である。
本発明による膜モジュールにおいては、若しくは所定物質の流体処理のための本発明による方法を実施する場合に、中空繊維膜に沿った流動はクロスフロー方式で行われる：処理すべき流体は一次流として中空繊維膜の両方の側の一方に沿って、換言すれば中空繊維膜の少なくとも１つの内腔に面した側あるいは中空繊維膜の外室に面した側に沿って、大体において中空繊維膜の長手方向の延びに対して平行に流れ、処理すべき流体の一部は透過流として中空繊維膜の壁を通ってその都度他方の中空繊維膜の側に流れる。この場合中空繊維膜の内腔とは、中空繊維膜の壁によって取り囲まれていて、中空繊維膜の長手方向軸線の方向に延びている中空繊維膜内室を意味し、中空繊維膜の少なくとも１つの内腔に面している側は中空繊維膜の内面であり、外室に面した側は中空繊維膜の外面である。この場合中空繊維膜は、１つよりも多い、中空繊維膜の軸線に沿って延びる中空室、換言すれば１つよりも多い内腔を有していることができる。このような中空繊維膜は例えばDE-OS 30 22 313あるいはDE-OS 28 42 835に記載されている。
相応して多量の流体を所定物質処理し得るようにするために、ケーシング内に包含されている束は複数の互いに並んで配置された中空繊維膜を有している。しかしながら特殊な場合には束は１つの個々の中空繊維膜から成ることをできる。もちろん束は複数の部分束から組み立てることもできるできる。
本発明による膜モジュールの有利な１実施例では、少なくとも１つの流入装置が外室内に開口していて、鋳造体に隣接している。この場合有利には中空繊維膜の内腔は中空繊維膜の埋め込まれている端部において閉じられている。
本発明による膜モジュールの別の有利な１実施例では、少なくとも１つの流入装置が分配室に接続されており、この分配室は端面側で鋳造体に隣接せしめられており、かつ鋳造体によって空間的に外室から隔てられている。この場合分配室は有利な１実施例では鋳造体内に取り付けられた通過部を介して外室に接続しており、中空繊維膜の内腔は中空繊維膜の埋め込まれている第１の端部において閉じられている。最も簡単な場合には、これらの通し部は鋳造体を貫通する穴である。しかしながら有利には通し部は流体を通すエレメントとして構成されており、これらのエレメントは中空繊維膜と一緒に鋳造体内に埋め込まれていて、その際このようなエレメントが毛細管あるいは小管であると、特に有利な経験がなされた。
本発明による膜モジュールの前述の実施例においては、処理すべき流体は中空繊維膜の回りの外室内に導入される。この場合流出装置は有利には中空繊維膜の第２の端部の範囲に、換言すれば鋳造体とは逆の側のケーシング端部に、ある。これによって処理すべき流体は一次流として中空繊維膜の回りの外室を、大体において中空繊維膜の長手方向の延びに沿って、流出装置の方向に貫流する。これらの場合、中空繊維膜の回りの外室によって一次流のための通路系が構成される。
この通路系の貫流の際に生じる圧力落差によって、一次流の一部は、大体において中空繊維膜の延び全体にわたって、透過流として中空繊維膜の半透過性の多孔質の壁を貫流する。この場合この部分流において所定物質の処理が行われる。次いで所定物質の処理をされた部分流は中空繊維膜の内腔内に入るが、この場合内腔は透過流のための集め室として役立つ。内腔若しくは集め室を、透過流は中空繊維膜の第２の端部における開口を経て、出て、通路系を貫流する一次流と一緒になってから、一次流と透過流とから合わせられた流れが処理された流体として、流出装置を介してケーシングから導出せしめられる。
本発明による膜モジュールのやはり有利な１実施例においては、少なくとも１つの流入装置がやはり分配室に接続しており、この分配室は端面側で鋳造体に隣接せしめられていて、鋳造体によって空間的に外室から隔てられている。しかしながらこの実施例においては、中空繊維膜はその第１の端部をもって、換言すればその埋め込まれた端部をもって、鋳造体を貫通しており、この端部において開かれている。この場合処理すべき流体は一次流としてケーシングの流入装置を介して分配室内に、かつそこから中空繊維膜の内腔内に流入し、内腔をその長手方向の延びに沿って貫流し、内腔を、中空繊維膜の第２の、埋め込まれていない端部における開口を経て、出る。要するに一次流は中空繊維膜を内腔側で貫流し、その際中空繊維膜の内腔全体は一次流のための通路系を構成する。
内腔の貫流の際に生じる圧力落差によって、一次流の一部は、大体において中空繊維膜の延び全体にわたって、透過流として、半透過性の多孔質の壁を通って流れる。この場合この部分流において所定物質の処理が行われる。次いで所定物質の処理を行われた部分流は中空繊維膜を取り囲んでいる外室内に出るが、この実施例では外室は透過流のための集め室として役立つ。この外室を透過流はケーシングの流出装置の方向に貫流し、その場合ケーシング内部の外室内で、通路系、換言すれば内腔、から流出する一次流と一緒になる。処理された流体、換言すれば一次流と透過流とを合わせた流体流は流出装置を介してケーシングから導出せしめられる。この場合、前述の実施例では流出装置はケーシングに沿った種々の位置に存在することができるが、しかし有利には鋳造体の近くにある。
別の有利な実施例においては、本発明による膜モジュールは、外室内に開口していて、鋳造体に隣接せしめられている少なくとも１つの流入装置と、分配室に接続している少なくとも１つの流入装置とを有し、分配室は端面側で鋳造体に隣接せしめられていて、鋳造体によって空間的に外室から隔てられており、その際この分配室は中空繊維膜の内腔に接続しており、中空繊維膜はその第１の端部をもって鋳造体を貫通していて、この端部において開かれている。これによって特に、交互に１つの流体を一次流として内腔側で中空繊維膜を貫流させ、かつ１つの流体を一次流として外側で外室を貫流させることが可能である。
例えば、流体の所定物質の処理の場合に、流体内に含まれている特定の目的物質を例えば膜内の適当な基に吸着させることを介して除去するために、まず処理すべき流体を一次流として中空繊維膜を内腔側で貫流させ、その際前述のように、部分流を透過流として中空繊維膜の壁を内側から外側に向かって貫流させることができる。所定物質の処理を終了した後に、次いで、膜に吸着されている目的物質を溶出するために、溶出流体を一次流として中空繊維膜の外側を沿流させ、その際部分流を透過流として中空繊維膜の壁を通して外側から内側に流して、目的物質を受容するようにすることができる。もちろん逆の運転形式、換言すれば処理すべき流体を外室内に導入し、次いで溶出流体を中空繊維膜の内腔内に導入することも可能である。
交互にまず１つの流体を一次流として中空繊維膜の一方の側に流し、次いで別の流体を一次流として中空繊維膜の他方の側に流すことができるこのような実施例は、有利には、懸濁液内に含まれている粒子が中空繊維膜の多孔質構造に沈着することができれば、懸濁液の所定物質の処理の際にも使用することができる。第１の方法段階でまず一次流が本発明による膜モジュール内に中空繊維膜の一方の側で導入され、その際透過流によって相応する大きさの粒子が多孔質構造内に、あるいは多孔質構造上に、捕らえられるようにすることができる。次いで、次の段階において、一次流又は第２の流体が中空繊維膜の他方の側で一次流として導入され、存在する圧力条件によって透過流が形成され、この透過流は第１の段階における透過流とは逆の方向で中空繊維膜の壁を貫流し、その場合膜構造は前の段階で捕らえられていた粒子を洗い流される。この場合第２の流体は同時に、第１の方法段階でやはり膜構造内にとどめられていた別の目的物質のための溶出液体であることもできる。
透過流のための集め室の寸法を定める場合、透過流が集め室を貫流する際に生じる流動抵抗が、半透過性の壁を貫流する場合に生じる流動抵抗よりも小さいようにすることが重要である。同時に、中空繊維膜につき、その外側の輪郭によって規定される全容積の可及的に大きな部分が、その中で所定物質の処理を行うことのできる半透過性の多孔質の膜壁から成っているようにすべきである。
膜の液圧透過性あるいは集め室内の流動抵抗のようなほかの影響因子と並んで、中空繊維膜の半透過性の壁を通って流れる透過流は、中空繊維膜に沿って一次流によって生ぜしめられる圧力勾配dp/dxによって定められる。この場合dpは一次流の方向での微分距離dxに沿った微分圧力変化である。この圧力勾配の値が大きくなるにつれて、膜壁を通る透過流、したがって一次流の、所定物質の処理を受ける部分が増大する。中空繊維膜の長手方向の延びの方向での圧力落差、換言すれば一次流によって貫流される通路系に沿った圧力落差は、通路系の流量が増大するにつれて、換言すれば一次流が増大するにつれて、増大する。
更に、圧力落差dp/dxの値は、一次流によって貫流される通路系を形成する通路の流動横断面がわずかになるにつれて、換言すれば、−実施例に応じて−内腔の横断面若しくは中空繊維膜の間及び中空繊維膜とケーシング内壁との間の中間室の横断面がわずかになるにつれて、増大する。通路系の通路の流動横断面の寸法が充分に小さい場合には、適当な流量との組み合わせで、通路系若しくは通路系内の流動速度によって充分に高い圧力勾配が生じ、多孔質の膜構造による拡散性の搬送に、透過流による著しく大きな対流性の搬送が重畳される。他面において、例えば懸濁液の所定物質処理の場合のように、処理すべき流体がまだ支障なく通路を通って流れることができるようにするために、通路の横断面を過度に小さくしてはならない。
本発明による膜モジュールにおいては、有利には、壁が大体において一様な厚さを有している中空繊維膜が使用される。この形式で、中空繊維膜の各箇所において大体において同じ貫流距離も生ぜしめられ、このことは処理すべき流体の滞在時間を可及的に均一にするために特に有利である。
複数の中空繊維膜を束として使用する場合に、束内でまとめられている中空繊維膜がスペーサによって相互に間隔を保たれ、したがって中空繊維膜の回りに中空繊維膜の間の規定された中間室を有する外室が構成されているようにすると、有利である。この形式で、束の個々の中空繊維膜の一様な沿流が可能にされる。更に、中空繊維膜の外側を一次流が沿流する場合に、スペーサを介して、中空繊維膜を取り囲む通路系の通路の流動横断面の大きさを調整することができ、これによって通路内に生じる圧力勾配に影響を及ぼすことができる。懸濁液の所定物質処理の場合及び外室内に一次流を導入する場合には、スペーサを介して懸濁液内に含まれている粒子の大きさに適合させることも可能である。
有利には、スペーサは、それが弾性的な構成部分を有しているように、構成されている。これによって中空繊維膜のこのような束は簡単な形式で膜モジュールのケーシング内に入れることができ、その場合束は最初にわずかに圧縮され、その際中空繊維膜の間の間隔が幾分か減少せしめられて、ケーシング内に押し込まれ、次いで弛緩せしめられ、これによって中空繊維膜の間の間隔が再び増大せしめられる。この結果、中空繊維膜の束はその外周においてケーシング内壁に接触し、ケーシング内壁に沿った欲せざる縁流動が回避される。
束の内部の中空繊維膜は有利には紡績糸によって間隔を保たれている。この場合原理的には、紡績糸を中空繊維膜の間に挿入することで充分である。しかしながら有利には中空繊維膜はスペーサによって少なくとも１つの中空繊維マット内に組み込まれ、その際このスペーサは特に有利には紡績糸である。このような中空繊維マットは有利には公知の方法で、編みマットとして、織りマットとしてあるいは織りバンドとして、しかしまたニットマットとして、あるいは鉤針編みマットとして製作することができる。織成又は編成の場合には、紡績糸は中空繊維膜に対して横方向に延びる織り糸若しくは経糸である。これらの横方向糸によって中空繊維膜は有利には相互に一様な間隔に保たれ、マットの内部で大体において互いに平行に配置される。このようなマットによって、正確な配列を有し、中空繊維膜の間に一様な通路系を構成することのできる中空繊維膜の束を製作することができる。
本発明による膜モジュールの別の実施例では、中空繊維膜は面状の、有利には帯状の結合エレメントによってその都度の中空繊維マット内に組み込まれており、その際これらの帯状の結合エレメントは同時にスペーサとして機能する。このような帯状の結合エレメントは、有利には互いにほぼ平行に配置されている中空繊維膜に対して横方向に、しかしまた別の角度で、延びていることができ、例えば点状に塗布された接着剤、例えばポリウレタンをベースとする接着剤によって、中空繊維膜上に積層されている。
中空繊維膜のこのようなマットは有利には、個々に幅を相応して定められたマット層のパイル若しくは束に重ねられる。しかしながら中空繊維膜マットは有利には単層又は上下に重ねられて複層でジグザグ形にパイル若しくは束に折り畳むことができる。本発明の別の有利な実施例では、前述の中空繊維膜マットは単層又は複層で上下に重ねられ、個々の層の中空繊維膜が互いにほぼ平行であり、公知の方法で中空繊維膜の長手方向の延びに対してほぼ平行に、束の軸線又はコアを中心としてらせん状に束に巻かれているようにする。
このようにして製作された束又はパイルにおいては、個々の巻き層若しくは個々の層は有利には、例えば織り込まれたあるいは編み込まれた糸あるいは挿入された結合エレメントによって、及び場合により付加的に個々の巻き層の間に挿入された例えば流体透過性のフリースあるいは織物によって、互いに間隔を保たれる。
別の有利な実施例では、束は少なくとも２つの上下に重ねられた中空繊維マットから成り、各マット内部の中空繊維膜は互いに相互間隔をおいて配置されており、マットは軸線又はコアを中心としてらせん状に巻かれており、その際中空繊維マットは、上下に重なる中空繊維マットの中空繊維が互いに交差して配置されているように、上下に重ねられている。このような束の製作はEP-A-0 285 812に詳細に記載されている。このような束においては、交差して配置されている中空繊維膜の間の角度は０°と１２０°との間であり、有利には３０°と９０°との間であることが分かった。
別の有利な実施例では、本発明による膜モジュール内に含まれている中空繊維膜束はコア束から成り、これらのコア束は支持糸の回りに配置された中空繊維膜を有し、その際支持糸の回りに配置されている中空繊維膜は少なくとも１つの巻き糸によって巻かれている。支持糸によって、コア束内に含まれている中空繊維膜は相互に間隔を保たれている。同時に巻き糸は中空繊維膜束をまとめているコア束を相互に離し、したがって全体として中空繊維膜束内に含まれている中空繊維膜の良好な沿流可能性が保証されている。コア束からまとめられたこのような中空繊維膜束はEP-A-0 732 141に記載されている。
所定物質の処理の効率を高めるために、本発明による方法の段階ｂ）及びｃ）を複数回実施すると、有利である。このことは次のようにして達成することができる。すなわちケーシング内に中空繊維膜の長手方向の延びの方向で複数の中空繊維膜束が段として互いに前後に配置されているようにするのである。複数の段をこのように互いに前後に接続することは、ケーシング及び個々の段の間の移行部を相応して構成すれば、一次流が中空繊維膜の内腔を通して導かれる膜モジュールの実施例でも、また一次流が中空繊維膜の回りの外室を貫流する実施例でも、可能である。
多数の段を互いに前後に接続することによって、同時に個々の段を、その長手方向の寸法において、換言すれば個々の段内に含まれている中空繊維膜の長手方向の延びの方向での寸法において、短くして、これによって処理すべき流体内の可能な臨界の成分に関する濃度変化を回避することができる。このことは特に、例えば血液の所定物質処理の場合におけるように、少なくとも懸濁された粒子の一部を中空繊維膜の半透過性の膜壁によってとどめ、かつ同時に懸濁された粒子の過度に高い濃度を回避する懸濁液の所定物質処理の方法において、意味がある。比較的に短い中空繊維膜によって、中空繊維膜に沿って、一次流から単にわずかな部分流が取り出され、したがって濃度変化は、一次流と透過流との次の引き合わせまでわずかにとどまる。
有利には本発明による膜モジュールにおいては、ケーシング内の段の数は１と１００との間である。最良の段数は１と１０との間であることが実証された。この場合、個々の段が相互に間隔を有していて、一次流もまた透過流も局所的にケーシングの貫流方向で後方に配置されている段によって妨げられず、一次流及び透過流の良好な混合が可能になるようにするのが、有利である。一様な混合が有利なのは、例えば不所望な濃度変動を回避するためである。
もちろん処理法の必要性に適合させて、有利には複数の段の中空繊維膜を含んでいる本発明による複数の膜モジュールを互いに前後に接続することも可能である。本発明による方法の別の有利な実施例では、処理すべき流体は再循環せしめられ、所望の処理率が達成されるまで何回も処理法が実施される。
種々の外側輪郭、換言すれば横断面で見て種々の外側の輪郭、を有する中空繊維膜を使用することができる。中空繊維膜は例えば大体において丸い、若しくは円形の、三角形の、四角形の、六角形のあるいは八角形の輪郭を有することができ、また卵形に、だ円形に、３層に、４層などに構成しておくことができる。本発明による膜モジュールに使用するために、若しくは本発明による方法を実施するために、１５μｍと１５００μｍとの間の壁厚を有する中空繊維膜、最も良いのは１００μｍと３００μｍとの間の壁厚を有する中空繊維膜が実証されている。有利には使用される中空繊維膜の液力直径は５０μｍから９００μｍまでで、この場合液力直径ｄｈはｄｈ＝４＊Ａ／Ｕで規定され，その際Ａは中空繊維膜の少なくとも１つの内腔の流動横断面の面積であり、Ｕはその都度の中空繊維膜内腔の流動横断面の円周を表す。中空繊維膜がそれぞれ複数の内腔を有している場合には、Ａ及びＵはそれぞれ、その都度の中空繊維膜の個々の内腔の面積若しくは円周の合計値を表す。特に有利なのは、２００μｍと４００μｍとの間の液力直径を有する中空繊維膜である。
中空繊維膜の外側の沿流が一次流によって行われる本発明による膜モジュールの実施例では、液力直径に関する前述の範囲は、同じようにして、中空繊維膜の回りの外室によって構成されている通路系の通路の横断面について当てはまる。この場合通路の液力直径ｄｈ１はｄｈ１＝４＊Ａ１／Ｕ１として規定され、Ａ１は中空繊維膜の間の中空繊維膜に対して垂直な流動横断面の面積であり、Ｕ１はすべての中空繊維膜の外周とケーシングの内周との合計値である。この場合中空繊維膜の液力直径ｄｈは有利には通路の液力直径ｄｈ１よりも係数１．２〜１２だけ小さい。
本発明の有利な実施例では、透過流は中空繊維膜の半透過性の壁を通って流れ、対流的に目標物質を膜を通して搬送する。このことは、中空繊維膜の半透過性の多孔質の壁が膜壁を通しての目標物質の搬送を許容する小孔の大きさを有していることを、前提としている。もちろん、一次流によって貫流される通路系内の与えられた圧力勾配及び中空繊維膜の与えられた幾何学寸法において、膜の平均的な小孔の大きさが最大化されると、透過流が最大化される。しかし適用の場合、小孔の大きさは目標物質の大きさにも調和させなければならず、目標物質は溶解したマクロ分子の形、しかしまた下位のマイクロメータ範囲の粒度を有する小さな粒子の形で存在することがある。同時に、例えば懸濁液の所定物質処理の場合に、膜が分離機能を行い、懸濁液内に含まれている目標物質ではない成分をとどめることがしばしば必要なことがある。このことは、小孔の大きさが特定の最大値を超えてはならないことを意味する。これによって、小孔系の封鎖あるいは例えばこのようなとどめられた成分と、目標物質との相互作用のために所定物質に作用する膜内の基との間の不所望な相互作用を防止することができる。
他面において、以下に述べる本発明による膜モジュールの使用若しくは本発明による方法の実施例に関して、小孔の大きさが可及的に小さくかつ小孔の容積が可及的に大きく、若しくは多孔性が可及的に大きい膜を使用して、所定物質の処理のために膜の内側の、換言すれば小孔によって形成される表面を可及的に大きくすることが、むしろ重要なことがある。有利には本発明により使用される中空繊維膜は５０容積％と９０容積％との間の平均多孔度を有している。平均多孔度とは、中空繊維膜の壁体積に対する中空繊維膜の小孔容積の比を意味し、その際壁体積は小孔容積と膜構造を構成する材料とを合わせたものである。
中空繊維膜の構造、換言すればその組織及び壁厚にわたっての小孔大きさの分配に対する要求は、所定物質処理のその都度の適用例から由来する。膜構造は壁厚にわたって等方性であることができ、換言すれば膜壁の内部で小孔直径は大体においてコンスタントであり、膜構造は異方性、対称性あるいはまた非対称性であることができ、かつ膜はその一方の側において著しく緊密な小孔構造の層、換言すれば皮層を有することができる。非対称性の膜の場合には、緊密な層は一次流に、あるいはしかし透過流のための集め室に面していることができる。例えば懸濁液の所定物質処理の場合には、膜が、特定の分離作用を達成するために、小さな小孔直径を一次流に面した側に有していることが必要なことがある。同時に膜壁を通して可及的に大きな透過流を達成するために、しかしながら、残りの膜構造は有利には粗孔性であり、しかしながら適用に応じて過度に粗孔性ではなく、これによって可及的に大きな内表面を達成するようにする。
有利には、０．００５μｍと５μｍとの間の平均小孔直径を有する中空繊維膜、特に有利には０．１μｍと３μｍとの間の平均小孔直径を有する中空繊維膜が使用される。
平均小孔直径を決定するために、小孔直径の大きさに応じて、かつ膜構造に応じて、異なった方法が適用される。大体において等方性の小孔構造のためには、小孔直径は間接的に濾過実験によって決定され、この場合デキストラン分子の所定の大きさ分布を有する水性のデキストラン溶液が膜を通して濾過される。この場合測定された、名目上の分子直径の関数としての相対的なせきとめ量から、小孔直径分布及びそれから平均小孔直径が計算される。この方法は例えばK．Sakai，J．Membrane Science 96（1994），91-130によって、あるいはShin-ichi Nakao，J．Membrane Science 96（1994），131-165によって、透析膜若しくは濾過膜のために記載されている。
例えば緊密な小孔構造の層を有している異方性の膜のためには、緊密な層の内部の平均小孔直径を決定するために、やはり引用した、濾過実験をベースとする決定法が引き合いに出される。異方性の膜の粗孔の範囲の平均小孔直径を決定するために、L．ZemanほかのJ．Membrane Science 71（1992），221-231による像分析的な方法が使用される。この方法は、０．１μｍと５μｍとの間の小孔大きさ範囲のために、もちろん等方性並びに異方性の小孔構造のために、適している。
本発明による膜モジュール若しくは本発明による方法を特に清澄な溶液又は懸濁液のために使用するためには、中空繊維膜がその壁において壁厚の少なくとも８０％にわたって大体においてコンスタントな平均小孔直径を有していると、有利である。これによって大きな内部表面を、多数の固定された所定物質に作用する膜内の基と組み合わせて、同時に膜壁を貫流する際のわずかな圧力損失で、ひいては大きな透過流で、達成することができる。大体においてコンスタントな平均小孔直径とは、壁厚にわたって±５０％よりも多く変化しないものを意味する。
懸濁液を所定物質処理するためには、一次流に面した側に、内腔の方向に接続している大体においてコンスタントな平均小孔直径を有している膜範囲よりも小さな平均小孔直径を有している層を有している膜を使用するのが有利であると分かった。有利にはこの層は１μｍと５μｍとの間の厚さであり、接続している範囲内の平均小孔直径よりも係数５〜５０だけ小さい平均小孔直径を有している。
本発明による膜モジュールにおいては、若しくは本発明による方法を実施するために、有利には大きな内部表面を有する多孔質の中空繊維膜が使用される。壁体積１ｃｍ３当たり２ｍ２と３００ｍ２との間のＢＥＴ表面を有する中空繊維膜が実証されており、最も良くは、壁体積１ｃｍ３当たり８ｍ２と３０ｍ２との間のＢＥＴ表面を有する中空繊維膜が実証されている。多孔質の膜構造の表面を決定するための窒素吸着測定に基づくＢＥＴ法はK．Kaneko，J．Membrane Science 96（1994），59-89によって記載されている。
本発明による中空繊維膜を構成する材料に関しては、何らの制限も付けられていない。例えば、ガラス、セラミック、ＳｉＯ２，炭素あるいは金属のような無機材料から、有機の重合体あるいはその混合物から成る膜を使用することができる。重合体は親水性の性質及び又は疎水性の性質を有することができ、重合体は、セルロースの重合体、例えばセルロースあるいは再生セルロース、変態セルロース、例えばセルロースエステル、セルロースエーテル、アミン変態セルロース並びにセルロースの重合体の混合物の群から、合成の重合体、例えばポリアクリルニトリル及び相応する共重合体、ポリウレタンを含有する重合体、ポリアリールスルフォン及びポリアリルエーテルスルフォン、例えばポリスルフォン又はポリエーテルスルフォン、ポリ弗化ビニリデン、ポリテトラフルオルエチレン、非水溶性のポリビニルアルコール、脂肪族及び芳香族のポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酸化フェニル、ポリベンゾイミダゾール及びポリベンゾイミダゾロン並びにこれから得られた変態物、ブレンド、混合物あるいはこれらの重合体の共重合体の群から選び出すことができる。これらの重合体若しくは共重合体には、別の重合体、例えばポリ酸化エーテル、ポリヒドロキシエーテル、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールあるいはポリカプロラクトン、あるいは無機物質、例えばＳｉＯ２を付加物質として混合することができる。個々の場合に膜は例えば表面変態させて、膜表面の特定の性質を例えば特定の官能基の形で生ぜしめることもできる。ポリオレフィンの重合体を使用する場合には、少なくとも膜の内部表面を例えば官能化可能な重合体で被覆することが必要なことがある。
特に良い経験は、セルロースの重合体、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエーテルスルフォンから成る膜、あるいは溶剤に安定で、ｐＨ価が安定している重合体から成る膜、特にポリテトラフルオルエチレンあるいはポリ弗化ビニリデン、並びにこれらから得られた変態物、配合物あるいは共重合体から成る膜でなされた。このような膜は例えばDE-A-39 23 128に記載されている。
その中に、束にまとめられた中空繊維膜あるいは中空繊維膜の段が配置されているところのケーシングの内部横断面の形状については、何らの特別な要求がなされない。この内部横断面は有利には本発明による膜モジュールのその都度の使用若しくはケーシング内に含まれている束の輪郭に適合せしめられる。有利には、しかしながら、正方形、長方形、六角形、八角形あるいはまた円形の内部横断面を有するケーシングが使用される。
ケーシング内には、有利には弾性的な構造部分を有するスペーサを有している中空繊維膜束がわずかに圧縮せしめられて挿入され、ケーシング内で緩んで位置決めされる。次いで中空繊維膜は自体公知の方法で、その第１の端部をケーシング内で鋳造体内に流体密に埋め込まれる。中空繊維膜が外側を一次流で沿流される実施例の場合、ケーシングは有利な１実施例では、中空繊維膜に沿ってその第２の端部に向かう方向で先細に成っている内部横断面を有しており、換言すればケーシングの横断面はこの方向で縮小している。これによって中空繊維膜の間隔はそれらの第２の埋め込まれていない端部に向かう方向で減少し、圧力落差ひいては透過流が増大せしめられる。同時にこれによって中空繊維膜の長手方向の延びに沿って透過流の一様化を達成することができる。
本発明による膜モジュール若しくは本発明による方法は、流体の極めて種々の所定物質処理に使用することができる。処理すべき流体としては有利には懸濁液が使用される。特に良好な処理結果は、本発明による方法において本発明による膜モジュールを使用し、その際中空繊維膜上及び又は内に所定物質に作用する基が固定されている場合に、得られる。その都度の処理方法に関しては、種々の所定物質に作用する基を中空繊維膜上及び又は内に固定しておくこともでき、これらの基は独特に、種々の、処理すべき流体内に含まれている目的物質と相互作用する。同じ形式でその都度異なった、所定物質に作用する基を有している種々の中空繊維膜を一緒に使用することもできる。複数の段を有する膜モジュールを使用する場合に、個々の段の中空繊維膜内に、同じ、しかしながら、また種々の、所定物質に作用する基を固定しておくことができる。
所定物質に作用する基を中空繊維膜上及び又は内に固定するためには、文献に記載されている方法を使用することができる。その都度の流体の所定物質処理に関して使用可能な所定物質に作用する基についても、文献に記載されているものを使用することができる。所定物質に作用する基の固定の種々の可能性が、固定される場所並びに固定の形式に関して考慮の対象になる。
例えばこれらの所定物質に作用する基は吸着性に、あるいは共有結合を介して、膜に連結しておくことができる。膜へのこの連結は、膜を本発明による膜モジュールのケーシング内に取り付ける前にも、また膜をケーシング内に挿入した後にも、行うことができる。この場合、その都度の使用の場合に調和させて、所定物質に作用する基を例えば大体において均質に多孔質の膜の全表面に、換言すれば外側の、内腔並びに外室に面した表面にも、また内側の、小孔によって形成される表面にも連結して、換言すれば膜上及び内に固定しておくことができる。しかしまた、所定物質に作用する基が、例えば処理すべき流体の個々の成分が所定物質に作用する基と接触しないようにする場合に、単にこの表面の一部にだけ固定されているようにすることが必要なことがある。
所定物質に作用する基を膜基質内に直接に取り付けることも可能であり、重合体材料から成る膜の場合には重合体材料を例えばイオンの、親水性のあるいは疎水性の基で変態させることによって、あるいは少なくとも１つの重合体成分が所定物質に作用する基を有している重合体ブレンドを使用することによって、可能である。別の可能性は、このような所定物質に作用する基あるいはまたこのような基を有している支持物質あるいは粒子を膜の製作法の際に膜の小孔系内に沈着させるか、あるいは後から、仕上がっている膜内に例えば流し込むことに存する。後者の場合には膜は有利には非対称的な構造並びに場合により皮層を有しており、その際皮層の開口若しくは膜の微細孔側の小孔は、所定物質に作用する基若しくは前述の支持物質又は粒子が貫通し得ないように、寸法を定められている。
いずれの場合においても、使用される膜の小孔の大きさは次のように選択すべきである。すなわち、所定物質に作用する基が小孔内に固定されているにもかかわらず、目標物質が対流で、処理すべき流体の少なくとも１つの成分によって膜壁を通して搬送され得るように、選択すべきである。
本発明の特に有利な構成によれば、所定物質に作用する基とは、リガートを処理すべき液体又は触媒から親和力で分離するリガンドであり、その際触媒とは例えば酵素のようなバイオ触媒をも意味する。有利な本発明による方法は、リガートを含む液体からリガートを浄化／分離する方法であり、その際、その上及び又は内に該リガートのためのリガンドが固定されているところの中空繊維膜が選び出され、若しくはこのような中空繊維膜を含んでいる本発明による膜モジュールが使用される。更に、有利な方法は、液体を触媒処理する方法であり、その際、その上及び又は内に触媒が固定されているところの中空繊維膜が選び出され、若しくはこのような中空繊維膜を含んでいる本発明による膜モジュールが使用される。触媒法には、例えば酵素法のようなバイオ触媒法も含まれる。
リガンドはここで使用されている意味では使用に応じて非特異的に、基特異的にあるいは特異的に作用することができる。使用可能なリガンドに関して、並びにその固定に関しては、ヨーロッパ特許庁特許出願EP 787 523を指摘し、その開示をここで明確に引き合いに出しておく。
本発明による膜モジュール若しくは本発明による方法は、例えば一般に親和力クロマトグラフィーの範囲から公知であるような、リガートを含む液体からリガートを浄化／分離するための多数の適用に使用可能であり、その際親和力クロマトグラフィーとは、所定バイオの吸着あるいはまたイオン交換クロマトグラフィーあるいはあるいは金属キレートクロマトグラフィーを意味する。
興味のある適用は単クローン液体の浄化、生物学的な液体の安定化のためのプロテアーゼの除去、血漿又は完全血から血漿成分を獲得すること又は治療除去すること、生物学的又は薬学的な液体から発熱性物質を除去すること、エナンチオマーを分離すること、酵素を分離すること、あるいはまた細胞の特定の表面蛋白質に反応する独特のリガンドによる細胞選択が、ほんの若干の例である。遺伝子技術の範囲における適用のためにも、本発明による膜モジュールは、このような適用において例えば膜上及び又は内に固定されているビールス又は細胞へ遺伝子を対流で搬送しようとする場合に、最も適している。
液体の酵素処理あるいは一般に触媒処理の範囲における適用のためには、その上及び又は内に自体公知の方法によって酵素又は触媒が固定されているところの中空繊維膜を選び出すことができる。本発明による膜モジュール若しくは本発明による方法で実施可能な触媒処理に関しては、やはりヨーロッパ特許庁特許出願EP 787 523の説明を指摘し、その開示をここで明確に引き合いに出しておく。
中空繊維膜の間にあるスペーサはスペーサ機能自体のほかに、別の機能を満たすことができる。例えば、中空繊維膜の多孔質の膜壁上及び又は内の所定物質に作用する基のほかに、付加的な、所定物質に作用する基をスペーサに固定しておくことができる。スペーサはこの目的のために、有利には膜材料と同じ重合体又は同じ重合体族から成っている。特に中空繊維膜から成るマットの間に入れられるスペーサのためには、例えばY．YangほかのJ．Chromatographie 598（1992），169-180に記載されているような織物が実証されている。この場合織物は、単糸直径が１μｍと３０μｍとの間であるマルチフィラメント糸を有する場合に、特に良好な結果をもたらす。横糸並びに縦糸が一次流の方向に対して、３０°と６０°との間の角度をなしている織物も実証されている。
本発明は以下において図面によってより詳細に説明する。図面は簡単な概略図で：
図１は中空繊維膜の内腔側が一次流によって貫流される膜モジュールを示し、
図２は中空繊維膜の内腔側が一次流によって貫流され、鋳造体に隣接せしめられた流出装置を有している膜モジュールを示し、
図３は中空繊維膜の外側が一次流によって沿流される膜モジュールを示し、
図４は中空繊維膜の外側が一次流によって沿流され、中空繊維膜の間に流動を一様化し圧力を増大させるエレメントを有している膜モジュールを示し、
図５は中空繊維膜の外側及び内腔側が一次流によって沿流若しくは貫流される膜モジュールを示し、
図６は段として互いに前後に配置された２つの中空繊維膜束を有し、中空繊維膜の内腔側が一次流によって貫流される膜モジュールを示し、
図７は段として互いに前後に配置された２つの中空繊維膜束を有し、中空繊維膜の外側が一次流によって沿流される膜モジュールを示し、
図８は段として互いに前後に配置された２つの中空繊維膜束を有し、一次流がリング通路形に供給されて、中空繊維膜の外側が一次流によって沿流される膜モジュールを示す。
図１は、束として配置された中空繊維膜２を含んでいるケーシング１を有する本発明による膜モジュールを示す。中空繊維膜２はその一方の端部３を鋳造体４内に埋め込まれており、かつその第２の端部５は大体において自由に流体によって沿流可能である。
矢印６によって示された処理すべき流体は流入装置７を介して分配室８内に導かれ、この分配室に向かって中空繊維膜２の埋め込まれている端部３は開かれている。分配室８から処理すべき流体は一次流として中空繊維膜２の内腔９内に導入され、中空繊維膜をその埋め込まれていない端部５の方向に貫流する。内腔を貫流する際に生ずる圧力落差によって、中空繊維膜２に沿って一次流の一部が透過流として多孔質の半透過性の中空繊維膜２の壁を通って、中空繊維膜を取り囲む外室１０内に流れ、その際壁を貫流する部分流は所定物質処理を受ける。所定物質処理された透過流は外室１０内に集められ、外室を流出装置１１の方向に貫流し、その際透過流は、中空繊維膜２の埋め込まれていない端部５の範囲において、内腔９から流出する一次流と１つになる。一次流と透過流とから１つにされた流体流は処理された流体１２として膜モジュールから流出装置１１を経て出る。流出装置は、図１に示した膜モジュールにおいては、中空繊維膜２の埋め込まれていない端部５の方のケーシング１の端部に配置されている。
流出装置を中空繊維膜２の埋め込まれていない端部５の方のケーシング１の端部に配置することは、複数の可能性のうちの単に１つであるに過ぎない。有利には−図２に示すように−図１におけるように一次流が内腔側に供給される場合には、流出装置１１は鋳造体４に隣接せしめられていて、これにより中空繊維膜２の第１の埋め込まれている端部３の方向に配置されている。この場合一次流も、中空繊維膜２の内腔９の埋め込まれていない端部５から出た後に、中空繊維膜２を直接に取り囲んでいる外室１０を貫流して、やはり外室１０を貫流する透過流と混合されて、処理された流体１２としてケーシング１から流出装置１１を経て、出る。
図３においては、１つの束に配置された中空繊維膜２が外側を一次流によって沿流される膜モジュールが示されている。この膜モジュールにおいては処理すべき流体６のための流入装置１３は外室１０内に開口していて、鋳造体４に隣接せしめられている。図示の例ではケーシング１は流入装置１３のところに直径の拡大部１４を有しており、これにより処理すべき流体を一次流として束の全横断面に一様に分配することができる。中空繊維膜２の第１の端部３はこの実施例では、内腔９が鋳造体４によってこの端部において閉じられているように、鋳造体４内に埋め込まれている。
処理すべき流体６は流入装置１３を経て、中空繊維膜２を取り囲んでいる外室１０内に流入し、一次流としてこの外室１０を大体において中空繊維膜２に沿って流出装置１１に向かう方向に貫流する。生ぜしめられる圧力落差に基づいて、透過流が、大体において中空繊維膜束の延び全体にわたって、中空繊維膜２の半透過性の多孔質の壁を通って中空繊維膜の内腔９内に入る。中空繊維膜２の壁を貫流する透過流において所定物質処理が行われる。処理された透過流は内腔９から、中空繊維膜２の第２の端部５における開口を経て、出て、そこの外室１０内で一次流と１つになってから、一次流と透過流とから１つにされた流れが処理された流体１２として流出装置１１を経てケーシング１から導出される。
１つの束に配置された中空繊維膜が外側を一次流によって沿流される、図３に示した形式の膜モジュールにおいては、処理すべき流体が束横断面に一様に分配されるようにすることが重要である。このことは原理的には次のことによって達成することができる。すなわち、外室若しくは外室によって構成されている通路系の貫流の際に生ずる流動抵抗が、例えばこの外室内に流動抵抗を増大させるエレメントを入れることによって、充分に高くなるようにするのである。図４においては−流入装置１３と流出装置１１との間の流動方向で見て−小管形若しくは毛細管形のエレメント１５が外室１０内で中空繊維膜２の回りに入れられており、これらのエレメントは流入装置１３に隣接せしめられた外室１０の部分内の流動抵抗を増大させて、一次流の分配の一様化を生ぜしめる。
図４に示した膜モジュールにおいては更に、中空繊維膜２の埋め込まれていない端部５の範囲内で、別の流動抵抗を増大させるエレメント１６が外室１０内に入れられている。これらの、図示の例ではやはり小管形あるいは毛細管形に構成されているエレメント１６によって、一次流のために外室の貫流の際に生じる流動抵抗が増大することができ、この形式で中空繊維膜の壁を通る透過流が増大することができる。
小管形若しくは毛細管形に構成されたエレメントの代わりに、類似の効果を得るために、例えば図４に示した範囲において、中空繊維膜に沿って別の流動抵抗を増大させるエレメントを、例えば相応して構成された流体を通すスペーサの形あるいは流体を通すフリースの形で、使用することができる。これらのスペーサあるいはフリースは、例えばコアの回りにらせん形に巻かれた中空繊維膜マットとして構成されている中空繊維膜束の場合に、巻きの際に生ずる層の間に帯状に置かれる。
流動抵抗を増大させるエレメント１６の使用によって達成することができる効果と類似した効果は、中空繊維膜２が外側を一次流によって沿流される膜モジュールの場合に、ケーシング１の内部横断面を相応して構成することによっても得ることができる。中空繊維膜の範囲内でケーシング横断面を中空繊維膜２の埋め込まれていない端部５に向かう方向で先細にすることによって、束にまとめられた中空繊維膜の間の、埋め込まれていない端部５における間隔が、鋳造体の範囲における間隔よりも減少せしめられる。これによって流動抵抗が端部５に向かう方向で増大せしめられ、透過流の増大が生ずる。
図５は、分配室８に、かつ分配室を介して中空繊維膜２の内腔９に接続されている流入装置７並びに中空繊維膜２を取り囲んでいる外室１０に開口していて、鋳造体４に隣接せしめられている流入装置１３を有している本発明による膜モジュールを示す。本発明による膜モジュールのこのような実施例では、種々の流体を交互に一次流として、内腔側で中空繊維膜を通してかつ外側で外室を通して、導くことができる。
例えばまず特定の目標物質を含んでいる処理すべき流体を流入装置７を介して一次流として中空繊維膜２の内腔９内に導入することができ、その際流入装置１３は閉鎖しておく。既に述べた形式で、中空繊維膜２の半透過性の多孔質の壁を通る透過流が生じ、透過流の所定物質処理が中空繊維膜２内で例えば目標物質の吸着によって行われ、これにより中空繊維膜２に目標物質が貯蔵される。目標物質を取り除かれた透過流は中空繊維膜２の内腔９から出た一次流と一緒に流出装置１１を経てケーシング１から導出せしめられる。
中空繊維膜の容量が目標物質の吸着量で一杯になると、目標物質は簡単な形式で再び中空繊維膜から溶出させることができ、この場合溶出液体が流入装置１３を経て外室１０内に導入され、溶出液体は一次流として外室を貫流する。この過程中は流入装置７は閉じられたままである。やはり既に述べた形式で、次いで、透過流が中空繊維膜２の半透過性の多孔質の壁を、もちろん中空繊維膜の目標物質の貯蔵の場合とは逆方向で、貫通し、問題なく目標物質を中空繊維膜２から溶出することができる。
図６においては、段として互いに前後に配置されている２つの中空繊維膜束１７，１８を含み、その中空繊維膜１９，２０がそれぞれ一方の端部を鋳造体２１，２２内に埋め込まれている、本発明による膜モジュールが示されている。処理すべき流体６は流入装置７を経て膜モジュールのケーシング１内に導入され、まず一次流として内腔側で第１の中空繊維膜束１７の中空繊維膜１９を貫流する。この場合生ずる透過流は中空繊維膜１９の壁内で所定物質処理を受ける。
外室を第１の中空繊維膜束１７の範囲内で貫流する透過流は、中空繊維膜束１７の中空繊維膜１９の埋め込まれていない端部の範囲内で、中空繊維膜１９の内腔から出た一次流と１つになり、このようにして生じた１回処理された流体の流れは、次いで再び内腔側で一次流として第２の中空繊維膜束１８の中空繊維膜２０内に入る。
ここで、第１の中空繊維膜束１７の範囲内で行われた過程が繰り返され、第２の中空繊維膜束１８の中空繊維膜２０の壁内で、それを貫流する透過流において別の所定物質処理が行われる。これにより２回処理された流体流１２は流出装置１１を経て膜モジュールから導出される。前述のように、個々の段の中空繊維膜内に固定されている所定物質に作用する基は互いに異なっていることもでき、したがって、処理すべき流体は、複数の段を含んでいる膜モジュールを貫流する際に、複数の異なった所定物質処理を受けることができる。
中空繊維膜が外側を一次流によって沿流される場合に、中空繊維膜の複数の束を段として互いに前後に接続する可能性は図７に示されている。処理すべき流体は−一次流による内腔側の貫流の例におけるように−端面側で、換言すれば中空繊維膜の埋め込まれている端部から、流入装置７を経て、第１の段の前に配置されている分配室８内に導かれる。分配室８はその一方の側で鋳造体２３に接しており、この鋳造体によって第１の段の束１７の中空繊維膜１９は、流入装置に面した端部を、その内腔がこの端部において閉じられているように、埋め込まれている。この鋳造体２３内には、更に、流体を通すエレメント２４が埋め込まれており、これらのエレメントは図示の場合には小管又は毛細管として構成されている。これらの流体を通すエレメント２４を経て、処理すべき流体が一次流として第１の膜束１７の中空繊維膜１９の回りの外室２５内に導かれる。前述のように、支配している圧力条件に基づいて、透過流が中空繊維膜１９の半透過性の多孔質の壁を通して流れ、そこで第１の所定物質処理を受ける。中空繊維膜１９の埋め込まれていない端部の範囲において、外室２５内で一次流が透過流と１つになる。
このようにして生じた、第１の所定物質処理を受けた流体流は、第２の段において中空繊維膜２０の束１８に供給される。この段は第１の段と同様に構成されている。ここでも鋳造体２６は流体を通すエレメント２４を有しており、これらのエレメントによって、別の所定物質処理を受けるべき流体が第２の束１８の中空繊維膜２０の回りの外室２７内に導かれる。ここで行われる過程は第１の段における過程に相応しており、その際第２の段の透過流は別の所定物質処理を受ける。次いで２回処理された流体流１２は流出装置１１を経て膜モジュールから導出される。
段として互いに前後に配置された２つの中空繊維膜束１７，１８を有し、中空繊維膜１９，２０の外側を一次流によって沿流される、図７に図示した膜モジュールの変化形は図８に示されている。図８による膜モジュールにおいては、処理すべき流体６の導入はやはり流入装置７を経て行われる。一次流は次いで端面側から、換言すれば鋳造体２３，２６と、埋め込まれた、鋳造体２３，２６によって閉じられている中空繊維膜１９，２０の端部とによって形成される平面から、その都度の中空繊維膜の回りの外室２５，２７内に導かれる。
その都度の束１７，１８の中空繊維膜１９，２０の埋め込まれている端部を回って、リング形の流体を通すエレメント２８，２９が鋳造体２３，２６内に埋め込まれており、これらのエレメントは図示の例では、短い小管あるいは毛細管として構成されていて、鋳造体２３，２６を貫通している。鋳造体２３，２６の範囲内でケーシング１はその内径の拡大部３０，３１を有している。これによって一面では処理すべき流体の、流体を通すエレメント２８，２９への一様な供給が達成される。他面ではこれらの拡大部３０，３１によってリング通路３２，３３が流動方向で鋳造体２３，２６の後方に構成され、これらのリング通路内に、流体を通すエレメント２８，２９が開口し、これらのリング通路によって一次流をその都度の束横断面に一様に分配することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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