專利名稱：超濾膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供由至少兩種聚合物溶液制備的具有至少一層超濾層的多層復(fù)合膜，以及制造這些膜的一種新方法。該膜特別適用于死端超濾過程。

背景技術(shù)：
超濾膜和微孔膜用于壓力驅(qū)動的過濾過程。膜分離過程領(lǐng)域的專業(yè)人員可容易地區(qū)分微孔膜和超濾膜，并通?；谄鋺?yīng)用及其結(jié)構(gòu)的狀況將其區(qū)分。微孔膜和超濾膜是作為單獨(dú)且不同的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)、銷售和使用的。雖然在名稱上存在交疊，但它們是不同的實(shí)體，在商業(yè)領(lǐng)域也是如此。
超濾膜最初用于濃縮或過濾可溶大分子，如蛋白質(zhì)、DNA、淀粉和天然或合成的聚合物。其主要用途中，是以切向流過濾(TFF)模式實(shí)現(xiàn)超濾，當(dāng)給料液跨過膜的表面時(shí)，小于膜孔徑的分子透過膜(濾液)，其余(滲余物)留在膜的第一側(cè)。由于液體也能透過，需要循環(huán)或加入滲余流以維持有效的TFF操作。采用TFF方法的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)液體恒定地流過膜的表面時(shí)，在膜表面及其附近，減少溶質(zhì)的污損并降低溶質(zhì)極化，使膜的壽命更長。
微孔膜最初用于以死端過濾模式從液體流或氣體流去除顆粒，如固體、細(xì)菌和凝膠。死端過濾是指在被過濾的全部液體流通過過濾器且無循環(huán)或滲余物流時(shí)的過濾。任何無法透過過濾器的材料被留在其上表面。
超濾膜通常是帶皮的非對稱膜，使其大部分在保留膜結(jié)構(gòu)的永久部分的支持體上。該支持體可為無紡布或紡織物，或?yàn)轭A(yù)制的膜。
微孔膜以有支持體或無支持體的形式制造。通常該支持體具有膜或一部分形成在支持體內(nèi)的膜，而非如在超濾膜中形成于支持體上的膜。
早期的纖維素、尼龍和聚偏二氟乙烯微孔膜為對稱的，且膜的大部分都是無表皮的。目前，制造了一些非對稱的微孔膜，其中一些是具有表皮的。
雖然可以看出，兩種膜可通過孔徑加以區(qū)分，但這并非下面將要討論的情況。其原因是它們用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，要求不同表征的方法。常用的方法中沒有給出絕對的孔徑的測量，且不同的方法之間不能直接進(jìn)行比較。
雖然微孔膜和超濾膜之間具有相似之處，但其發(fā)展歷史卻完全不同。因此它們之間存在不止一種可接受的劃分標(biāo)準(zhǔn)也就不奇怪。
微孔膜在商業(yè)上是由德國Sartorius公司的Zsigmondy于1929年的工作發(fā)展而來。這就是我們現(xiàn)在稱為“空氣鑄”的膜，其是在潮濕氣氛中通過蒸發(fā)聚合物溶液的薄層而制成的。這些膜仍為對稱的且通常為無表皮的。因?yàn)槠溆糜谌コ虮Ａ艏?xì)菌，所以這些膜是通過其所保留的細(xì)菌的尺寸而加以測定的。該方法使得孔徑為微米量級。
一種用于測定微孔膜的常用方法是泡點(diǎn)測試。在該方法中，將微孔膜放置于夾具上并浸泡在測試液中。對膜的一側(cè)施加氣壓，該壓力以固定的速率增長。從下游一側(cè)出現(xiàn)第一個(gè)氣泡流作為最大孔的度量。在更高的壓力下，液體被壓出大多數(shù)孔，實(shí)現(xiàn)了完全泡沫點(diǎn)(FAOP)。在ASTMF316-70和ANS/ASTM F316-70(1976年重新批準(zhǔn))中對這些進(jìn)行了描述。
超濾膜是Leob和Sourirajan的反滲透膜研究中的衍生產(chǎn)品。AlanMichaels將1965年確定為首次在市場上出現(xiàn)第一種原始的超濾膜及器件的時(shí)間。超濾膜是通過浸沒澆鑄法制成的，并具有表皮且為非對稱的。最初的商業(yè)應(yīng)用涉及蛋白質(zhì)濃縮，并通過其所保持的蛋白質(zhì)的分子量對膜進(jìn)行測定，即膜的截留分子量(MWCO)。
雖然膜的測定仍基于利用蛋白質(zhì)的測試，但一種常見方法使用了具有分子量分布窄的非蛋白質(zhì)高分子，如多糖(葡聚糖)或聚乙二醇。例如參見A rejection profile test for ultrafiltration membranes and devices，BIOTECHNOLOGY 9(1991)941-943。
當(dāng)薄膜的應(yīng)用在二十世紀(jì)六十和七十年代中發(fā)展的時(shí)候，超濾膜擴(kuò)大為較大的孔徑，而微濾膜變?yōu)檩^小的孔徑。在此發(fā)生時(shí)，專業(yè)人員開始區(qū)分兩種膜。有趣的是，從歷史的角度看，最早的文獻(xiàn)僅涉及超濾。Kesting的Synthetic Polymer Membranes A Structural Perspective，Robert E.Kesting，John Wiley & Sons 1985以及Lonsdale的“The Growth ofMembrane Technology”K.Lonsdale，J.Membrane Sci.10(1982)81均引用了Ferry在1936年的主要調(diào)查，其中超濾涉及超濾膜和微濾膜。Kesting指出“幾年來超濾一詞已改變其含義?！睂?shí)際上，甚至在1982年的調(diào)查Pusch的Synthetic Membranes-Preparation，Structure，and Application，W.Pusch and A.Walch Angew.Chem.Int.Ed.Engl.21(1982)660中，超濾是指0.005微米至1微米的篩分膜。Kesting在文中的表2.9(第45頁)中認(rèn)為超濾是10-1000埃，即0.01-0.1微米，而微濾是1000-100,000埃，即0.1-10微米。
1969年Dorr-Oliver的圖表認(rèn)為微孔的范圍是從0.03微米至超過10微米，而超濾的范圍是從0.002微米至10微米。最近一本手冊中的章節(jié)Handbook of Separation techniques for Chemical Engineers第三版，2.1節(jié)膜過濾(Membranes Filtration)，M.C.Porter，McGraw-Hill 1996聲稱這“反映了文獻(xiàn)中微濾、超濾以及反滲透之間的混淆”。1975年P(guān)orter的Selectingthe Right Membrane，M.C.Porter，Chem Eng.Sci.71(1975)55中建議超濾覆蓋從0.001至0.02微米的范圍，而微濾覆蓋從0.02至10微米的范圍。Lonsdale在參考文獻(xiàn)2中引用了該定義，而Porter在參考文獻(xiàn)4中再次使用這一定義。Cheryan的Ultrafiltratoin Handbook，M.Cheryan，TechnomicPublishing Co.第26章Introduciton and Defnitions(Ultrafiltraiton)S.S.Kulkarni等人的第31章Definitions(Microfiltration)R.H.Davis 1986中提到了Porter的超濾和微濾的范圍(非引用)以及出自Dorr-Oliver圖表中的圖表。在薄膜手冊(Membrane Handbook)中，Davis，Van Nostrand和Reinhold DATE Davis給出微濾的范圍為0.02-10微米，Kulkarni等人將超濾的范圍描述為10-1000埃，即0.001-0.1微米?？讖椒秶牧硪粋€(gè)例子出自1987年的John Wiley和Sons的Encyclopedia of PolymerScience and Engineering第9卷第512頁，指出超濾為0.01-0.1微米，微濾為0.1-10微米。Zeman的Microfiltration and Ultrafiltration，L.Zemanand A.Zydney，Marcel Dekker，Inc 1996，第13頁的圖表中，超濾的范圍為0.001至0.1微米，微濾范圍為約0.02至10微米。
根據(jù)本發(fā)明，我們比較于微孔膜對超濾膜的定義是基于國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)盟(IUPAC)的定義，“薄膜與薄膜加工的命名法(Terminology for membranes and membrane processes)”，發(fā)表于PureAppl.Chem.，1996，68，1479。
“72.微濾壓力驅(qū)動的基于膜的分離過程中大于0.1微米的顆粒和溶解的高分子被濾去” “75.超濾壓力驅(qū)動的基于膜的分離過程中小于0.1微米且大于約2納米的顆粒和溶解的高分子被濾去?！? 超濾膜的定義是基于膜的功用以及如何實(shí)現(xiàn)其功用。超濾膜適用于濃縮或過濾可溶性高分子，這些高分子在溶液中的尺寸小于約0.1微米且連續(xù)地以切向流的模式運(yùn)行延長的時(shí)間，通常為大于4小時(shí)至最高24小時(shí)。微孔膜適用于去除大于0.1微米的顆粒，并用于死端過濾的應(yīng)用領(lǐng)域。微孔膜通常允許可溶性高分子透過該膜。
通過浸沒鑄造制造超濾膜的方法是公知的。在Marcel Dekker的Microfiltration and UltrafiltrationPrinciples and Applications(1996)；L.J.Zeman andA.J.Zydney eds中給出一個(gè)簡明的討論。所述的這些制備方法通常包括以下步驟a)制備特殊的且良好地控制的聚合物溶液；b)將該聚合物溶液以薄膜的形式澆鑄到基板上；c)在非溶劑中使所得聚合物溶液的膜凝固；以及d)任選使超濾膜干燥。
超濾膜的常見形式是非對稱膜，該膜的孔徑隨膜厚度以內(nèi)的位置而變化。最常見的非對稱膜具有梯度結(jié)構(gòu)，其中孔徑從一個(gè)表面到另一個(gè)表面逐步增加。非對稱膜更易于被破壞，這是因?yàn)槠浔Ａ籼匦约杏诒砻鎱^(qū)域或表皮中。膜的表皮為被表面孔透過的致密的薄表面。然而發(fā)現(xiàn)提高的產(chǎn)率是由于使待過濾的進(jìn)料流與較大孔的表面相接觸，其作用是預(yù)過濾該流并減少膜的堵塞。
制造超濾膜，特別是非對稱膜的領(lǐng)域的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，含有大的(相對于膜的孔徑)空心海綿狀結(jié)構(gòu)的膜相對于不用該空心結(jié)構(gòu)制成的膜，具有較差的性能。雖然本領(lǐng)域中使用了其他術(shù)語，這些空心結(jié)構(gòu)有時(shí)被稱為“大孔”。本領(lǐng)域技術(shù)人員努力使膜的保留功效非常高，而優(yōu)選制造不具有該空心結(jié)構(gòu)的膜。
單層結(jié)構(gòu)的多數(shù)直接變體可能為多層的非粘合的疊層體。若疊層體可由相同或不同的膜制成，則其具有缺陷。每層必須在單獨(dú)的制造過程中生產(chǎn)，從而使成本上升并使生產(chǎn)效率下降。生產(chǎn)和處理非常薄的膜，如小于20微米，是困難的，這是因?yàn)槠淙菀鬃冃吻胰菀灼鸢櫋＿@使得用多個(gè)薄的膜制造最終產(chǎn)品無效。非粘結(jié)的疊層體也可在制造過程中破碎而進(jìn)入最終的過濾裝置，如折疊的過濾器，從而導(dǎo)致流動以及非均勻體的集中。制造多層多孔的膜結(jié)構(gòu)的其他方法是已知的。US 4,824,568描述了通過將超濾薄膜澆鑄在預(yù)制的微孔膜上而制成的復(fù)合超濾膜。US5,228,994描述了一種以第二微孔層涂覆微孔基板以形成雙層復(fù)合微孔膜的方法。這些方法要求兩個(gè)獨(dú)立的形成膜的步驟，在其他預(yù)制膜的頂部形成一層膜，并通過聚合物溶液的粘度加以限制，該溶液可用于防止過量的澆鑄溶液滲透入預(yù)制基板的孔中。
US 5,620,790中描述了一種微孔膜的制造方法，該方法是將聚合物材料支持體上的第一層澆在基板上，然后在各個(gè)連續(xù)的直接前層中出現(xiàn)混濁之前將聚合物材料溶液的其他一層或多層澆在第一層上，聚合物材料溶液的各直接連續(xù)的層的粘度等于或小于前一層。關(guān)于微孔膜的美國專利申請20030217965提供了一種制造疊加式多層多孔膜的方法，該方法是通過同時(shí)將多種聚合物溶液共澆鑄到支持體體上以形成多層液體薄片，并將該薄片浸入液態(tài)凝結(jié)浴中以實(shí)現(xiàn)相分離并形成多孔膜。US6,706,184公開了一種制造連續(xù)無支持體的多區(qū)域相反轉(zhuǎn)微孔膜的方法，該膜具有至少兩個(gè)區(qū)域，該方法包括以下作用相對于連續(xù)移動的涂覆表面，操作地定位至少一個(gè)涂覆涂料的裝置，該裝置具有至少兩個(gè)聚合物涂料的送料槽；從各個(gè)涂料送料槽將聚合物涂料涂覆到連續(xù)移動的涂覆表面上，以在涂覆表面上形成多層聚合物涂料涂覆層；使多涂料區(qū)域?qū)优c產(chǎn)生相反轉(zhuǎn)的環(huán)境相接觸，以形成潮濕的多區(qū)域相反轉(zhuǎn)微孔膜；然后清洗該膜，并烘干。在這些結(jié)構(gòu)中，各個(gè)層或區(qū)域均為微孔膜。美國專利申請20040023017描述了一種含有熱塑性樹脂的多層微孔膜，其包括一層開放孔的比率較高的粗結(jié)構(gòu)層以及一層開放孔的比率較低的細(xì)結(jié)構(gòu)層，其中所述粗結(jié)構(gòu)層為至少一層膜表面的厚度為不低于5.0微米，而所述細(xì)結(jié)構(gòu)層的厚度為不低于整個(gè)膜厚度的50％，所述粗結(jié)構(gòu)層和所述細(xì)結(jié)構(gòu)層是以一片式形成的。該細(xì)結(jié)構(gòu)不帶有表皮。該結(jié)構(gòu)是由單一的溶液形成的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括由多于一種聚合物溶液制成的疊加式多層平面薄膜，其中至少一個(gè)層為超濾膜。本發(fā)明還包括該膜的制備方法。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，本發(fā)明包括與微孔膜層相連的帶表皮的非對稱超濾膜層，其中該連接具有梯度分布的孔徑，該梯度分布是從該連接附近的微孔層的孔徑過渡到該連接附近的超濾層的孔徑。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，本發(fā)明包括與超濾層的致密孔一側(cè)相連的微孔膜層，其中該連接具有梯度分布的孔徑，該梯度分布是從該連接附近的微孔層的孔徑過渡到該連接附近的超濾層的孔徑。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，本發(fā)明包括與第二非對稱的超濾膜層相連的帶表皮的非對稱超濾膜層，該第二超濾膜的平均保留孔大于帶表皮的非對稱第一層，其中該連接具有梯度分布的孔徑，該梯度分布是從該連接附近的第二超濾層的孔徑過渡到該連接附近的第一超濾層的孔徑。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，本發(fā)明包括形成疊加多層復(fù)合超濾膜的方法，該方法包括以下步驟 操作地定位具有至少兩個(gè)相對于移動的載體表面的配料出口的聚合物溶液涂覆裝置；及 用不同的聚合物溶液供應(yīng)每個(gè)配料出口；及 將所述溶液涂覆于所述移動的載體表面上，從而在所述載體上形成多層涂覆層； 所述多層在被涂覆的連續(xù)層之間基本上無需時(shí)間間隔； 將所述多重液態(tài)層進(jìn)行相分離處理以形成濕的多層超濾膜。
本發(fā)明的其他具體實(shí)施方案包括本發(fā)明的膜在一個(gè)過程中從制造生物技術(shù)衍生藥物的過程中含人造蛋白質(zhì)的溶液中去除病毒顆粒的用途，其中該膜基本上可阻止病毒顆粒由其透過并基本上允許蛋白質(zhì)由其透過。



圖1所示為共澆鑄涂覆頭。
圖2所示為兩層膜中各層的位置。
圖3所示為熒光珠過濾的結(jié)果。
圖4所示為實(shí)施例1和2的膜的掃描電子顯微鏡照片。
圖5所示為實(shí)施例3的膜的掃描電子顯微鏡照片。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明涉及具有至少一層超濾層的疊加式多層復(fù)合膜，該超濾層是如下制成的在一個(gè)支持體上共澆鑄多種聚合物溶液以形成多層液態(tài)薄片，并將該薄片浸入液態(tài)凝固浴中以實(shí)現(xiàn)相分離并形成多孔超濾膜。形成之后，清洗多孔膜以去除溶劑和其他可溶材料。然后可進(jìn)一步提取以使易揮發(fā)材料降低至低水平，然后任選將其烘干。
為簡化本發(fā)明至實(shí)際情況，發(fā)明人必須克服由明顯不同的形成膜的溶液制造疊加式多層結(jié)構(gòu)的基本問題。發(fā)明人面臨著區(qū)別于不同膜層的結(jié)構(gòu)和形成的實(shí)際困難。若現(xiàn)有技術(shù)描述了制造多層微孔膜的方法，該領(lǐng)域中膜的配制品溶液和形成膜的機(jī)制以及各層的膜結(jié)構(gòu)都十分相似。
在本發(fā)明中，超濾(UF)層與微孔(MF)層的孔徑可相差一個(gè)數(shù)量級。而且，超濾膜與微孔膜的形成速率也不相同，在凝固浴中超濾膜的形成明顯更快。本發(fā)明的制膜過程中可能發(fā)生的潛在和現(xiàn)實(shí)問題包括 若最終涂覆溶液是形成超濾膜的溶液，則可能形成得過快且過于密集，以至于不允許凝固液體以形成令人滿意的膜所需的速率穿透至形成微孔的層。若凝固浴擴(kuò)散透過頂層過慢，則會阻礙下面的微孔層的形成，且孔徑不可控制。而且，在經(jīng)涂覆的薄片從凝固浴取出之前甚至可能發(fā)生下層無法固化。
若將形成微孔的溶液涂覆在形成超濾的層上，則微孔層的形成會顯著影響超濾層的形成。若分別澆鑄超濾層則會致使阻止帶表皮表面的形成，并改變孔徑。
其他問題是由于兩種膜的粘度范圍不同。形成超濾膜的溶液的粘度通常遠(yuǎn)高于形成微孔膜的溶液。用不同粘度的溶液涂覆多層只會加劇制造多孔膜的問題。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，一些關(guān)鍵的變量在一定的有限范圍內(nèi)，則可制得具有實(shí)用性能的疊加式多層共澆鑄復(fù)合超濾膜。
簡而言之，制備多層共澆鑄復(fù)合超濾膜的方法可描述為一個(gè)雙層實(shí)例，但是以同樣的方法可制造三層或更多層。優(yōu)選的方法包括制備兩種聚合物溶液的步驟，每層一個(gè)步驟。通過浸沒澆鑄法制備多孔膜的溶液通常包括聚合物、溶劑以及用以改變并控制膜的最終孔徑和多孔特性(即多孔性的百分比、孔徑分布等)的添加劑。有時(shí)還使用其他添加劑以改變物理性質(zhì)，如親水性、延伸率、模量等。
優(yōu)選的聚合物包括但不僅限于，聚偏二氟乙烯(PVDF)、諸如尼龍66的尼龍、聚酰胺、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚砜、聚砜、聚芳砜、聚苯基砜、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、纖維素、再生纖維素、纖維素酯如乙酸纖維素或硝酸纖維素、聚苯乙烯、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、丙烯酸聚合物或甲基丙烯酸聚合物的共聚物、或上述及類似聚合物的任意混合物。
所用溶劑包括但不僅限于以下實(shí)例，如二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四甲基脲、丙酮、二甲基亞砜以及磷酸三乙酯。
所用的許多本領(lǐng)域的成孔劑(porogen)的實(shí)例包括但不僅限于以下化合物，如甲酰胺、各種醇和多羥基化合物、水、各種聚乙二醇、聚乙烯基吡咯烷酮以及各種鹽如氯化鈣和氯化鋰。
其他添加劑的實(shí)例包括提高潤濕性的表面活性劑，以及與改變最終膜的機(jī)械性能的初級膜聚合物相容的聚合物。
溶液制成后，將其涂覆在移動的載體上。對于不具有附著于最終膜的網(wǎng)的無支持體的膜，該載體通常為塑性薄膜，如聚對苯二甲酸乙二醇酯，或聚乙烯涂覆紙，或易于從形成的膜上去除的相似的光滑連續(xù)的網(wǎng)。
本申請可由任意的標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的目的是將第一溶液涂覆到載體上，并將第二溶液涂覆到第一溶液上。一個(gè)高度優(yōu)選的方法是共澆鑄，其中涂覆兩層且涂覆過程之間基本上沒有時(shí)間間隔。這可利用輥襯刮刀設(shè)備、加壓雙槽涂覆頭或任何其他工業(yè)上已知的預(yù)測量或后測量涂覆裝置來實(shí)現(xiàn)。共澆鑄是指基本上同時(shí)澆鑄各單獨(dú)的層，且一個(gè)澆鑄層與下一個(gè)澆鑄層之間基本上無時(shí)間間隔。在已公開的美國專利申請20030217965中詳細(xì)描述了該方法。共澆鑄是本發(fā)明的一個(gè)重要的方面，因?yàn)槠淇紤]到在層連接處的受控孔徑區(qū)域的形成。在現(xiàn)有技術(shù)中，在連續(xù)澆鑄層之間形成一條良好限定的界線?？讖綇母_放的結(jié)構(gòu)至更緊縮的結(jié)構(gòu)的巨大變化，會導(dǎo)致在界面處所保留溶質(zhì)非期望的迅速聚積，因此造成流量大幅下降。可能是由于相鄰共澆鑄漆的部分混合或由于兩種相鄰共澆鑄漆之間界面處的高剪切力，尖銳的界面可被共澆鑄過程中兩相鄰層之間孔徑的更細(xì)微變化而替代。該界面區(qū)域有利于多層膜疊加結(jié)構(gòu)的保持特性，并因此在一些應(yīng)用領(lǐng)域中是優(yōu)選的。然而，即使利用共澆鑄技術(shù)，若需要仍可在適當(dāng)選擇材料和應(yīng)用方法的層之間形成尖銳的界線或良好限定的界線。
本發(fā)明的膜優(yōu)選使用預(yù)測量的涂覆方法制造。預(yù)測量涂覆是指將待沉積的精確量的涂覆溶液送入涂覆頭。層的高度是由沉積作用設(shè)定，而非通過一些后涂覆方法，如對層進(jìn)行測量之后設(shè)定該結(jié)構(gòu)厚度的刮板(通常稱為“后測量方法”)。該預(yù)測量條件應(yīng)用于形成該結(jié)構(gòu)的方法中的模涂覆、滑板涂覆以及簾式涂覆。本發(fā)明優(yōu)選使用雙刀匣或雙槽模。若需要，也可采用后測量。
圖1所示為用以澆鑄多層膜的形成多層的設(shè)備。如圖所示，該設(shè)備被設(shè)計(jì)用于制造雙層液態(tài)薄膜，其具有含有待澆鑄溶液14和16的兩個(gè)室50和60，各對應(yīng)一層。若需要，可增加額外的室以形成額外的共澆鑄層。該設(shè)備包括前壁20和后壁40以及在前壁和后壁之間的分隔壁30。該分隔壁確定了兩室的體積。圖中未示出的兩側(cè)的壁完成了該設(shè)備。在工作中，將該設(shè)備固定在典型的膜澆鑄機(jī)上，并將支撐網(wǎng)18移動或傳送至固定的設(shè)備以下，并將兩種溶液通過缺口或出口80和90分配。通過設(shè)置在移動的網(wǎng)和出口之間的距離(缺口)控制兩層的厚度，如圖中所示的缺口設(shè)置80和90。最終液態(tài)層的厚度是缺口距離、溶液粘度以及網(wǎng)的速度的函數(shù)。通常將設(shè)備的后壁架起至支持體上一小段距離，以防止使支持體褶皺或損壞。實(shí)際中，調(diào)整后壁缺口、支持體速度以及溶液粘度以防止溶液通過后壁缺口漏出。可利用加熱或冷卻方法分別調(diào)整該設(shè)備的各室，或疊加上調(diào)整該設(shè)備，若需要則通過溶液特性進(jìn)一步控制最終膜的性能。
一個(gè)槽模包括一個(gè)封閉的儲存器，其具有一個(gè)較小截面的出口槽。一個(gè)擠出機(jī)或正向活塞泵，或在一些情況下加壓容器以一致的速率將涂料送入儲存器中，由壓力將全部進(jìn)入模具的液體從儲存器通過一個(gè)槽壓出，并傳送至移動的載體網(wǎng)上。安置該槽垂直于移動的載體網(wǎng)。多層涂覆所需要的模具具有獨(dú)立的儲存器、相關(guān)的送料方法以及各層的出口槽。
將層涂覆到移動的載體之后，將帶有液體薄片的載體浸入一種該聚合物的非溶劑且可與溶劑和成孔劑混溶的液體中。這將導(dǎo)致相的分離以及多孔膜的形成。
然后，通常將形成的復(fù)合膜從載體上剝離，并清洗以除去剩余的溶劑和其他材料。然后將膜烘干。通常用諸如甘油的濕潤劑使超濾膜烘干，在進(jìn)行烘干步驟之前，首先將經(jīng)清洗的膜浸入濃度為5至25重量％的甘油水溶液，并去除多余的液體。在某種意義上烘干過程用以去除大部分的水并保留足夠的甘油以防止孔的坍陷。
在多層液體薄片的凝固過程中，從液態(tài)膜表面發(fā)生凝固，該液態(tài)膜表面首先與凝固浴接觸，然后透過多層液體薄片的后序?qū)?。在凝固劑擴(kuò)散透過層時(shí)，各層均稀釋并改變該凝固劑。凝固劑性能的這些改變影響各層膜的形成以及最終多層膜的形成。層的厚度、組成以及各層相對于其他層的位置均影響膜的結(jié)構(gòu)與性能。若由單層溶液或由單層的疊層制成，則各層的形成過程與其應(yīng)有的過程不同。
在另一個(gè)具體實(shí)施方案中，依次將兩層或更多層連續(xù)澆鑄在以前澆鑄的層上且各次澆鑄之間延遲一段時(shí)間，因此可在較早澆鑄的層中發(fā)生一些相的分離。該方法的所有其他步驟與共澆鑄的具體實(shí)施方案所描述的相同。該依次澆鑄的具體實(shí)施方案可形成的超濾膜所含的結(jié)構(gòu)與僅使用共澆鑄方法的具體實(shí)施方案相似。
參考圖2a和2b以輔助說明這些多層膜。用非對稱膜的“頂部表面”表示具有最小孔徑的表面是本領(lǐng)域技術(shù)人員的慣例。我們使用此慣例作為基礎(chǔ)。對于具有帶表皮的非對稱超濾膜層而其他層不與帶表皮的表面接觸的多層膜的情況，該帶表皮的非對稱超濾膜層為第一層或頂層，后序?qū)泳幪枮榈诙?、第三層等，如圖2a所示。為保持一致，對于微孔膜作為非對稱超濾層之上的頂層的情況，該微孔層作為第一層，而超濾層作為第二層等等，如圖2b所示。另一個(gè)等價(jià)的術(shù)語描述是指第一面作為經(jīng)澆鑄的多層液態(tài)薄片的頂層，即涂覆在載體上的最后一種溶液。
本發(fā)明的多層膜不同于附加系列的同法所制的單層膜。由于各層的疊加式連接，存在從一層至下一層的孔徑過渡區(qū)域。為描述該結(jié)構(gòu)，我們使用以下具有兩層膜的裝置作為實(shí)例。單層膜包括第一面、第二面以及兩面之間的多孔結(jié)構(gòu)。同樣地，兩層膜的疊層體由具有第一面、第二面及兩面之間的多孔結(jié)構(gòu)的第一層；以及具有第一面、第二面及兩面之間的多孔結(jié)構(gòu)的第二層組成。對于本發(fā)明的兩層膜，第一層具有第一面和第二等價(jià)面。若該層是單層膜，則第二等價(jià)面為第二面，但這里其為兩層疊加連接的部分。同樣地，第二層具有等價(jià)的第一面和第二面以及兩面之間的多孔結(jié)構(gòu)。兩個(gè)等價(jià)面相連接以形成連接厚度，即兩層之間的過渡區(qū)域。
非對稱超濾膜有時(shí)用于在上游或高壓側(cè)具有開放或大孔表面的死端過濾。該用途的一個(gè)重要應(yīng)用是在于生物技術(shù)醫(yī)療藥物的生產(chǎn)中的處理溶液中去除病毒顆粒。第10/145,939號美國專利申請對此進(jìn)行了描述。
死端過濾的優(yōu)點(diǎn)在于其簡便性。加壓送料流與膜的一面相接觸，流體透過其中，而待去除的材料被膜保留下來。作為比較，在切向流過濾(TFF)中，加壓送料流沿切線方向流過膜的表面，一部分送料流透過該膜，而剩余物，即滯留物通常與添加的補(bǔ)充送料一起被再循環(huán)，或返回送料罐。TFF需要附加的泵設(shè)備以及其他控制器以保持流和壓力的適當(dāng)比率。然而，使用超濾膜的死端過濾并不常用，這是因?yàn)樵撃ひ子谶^快地失去滲透性能以至于無法使用。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的多層超濾膜與現(xiàn)有技術(shù)的超濾膜相比具有大幅提高的性能。該提高的明顯原因在于膜的結(jié)構(gòu)，雖然通過以下討論并未對本發(fā)明的范圍加以限制。發(fā)明人認(rèn)為，連接區(qū)域內(nèi)的孔徑過渡對于提高性能具有關(guān)鍵作用。
如圖3所示，其中本發(fā)明的膜的一個(gè)實(shí)例為與微孔層相連的帶有表皮的非對稱超濾膜，將其與通過在預(yù)制微孔膜上澆鑄超濾層而制得的兩層的聚偏二氟乙烯(PVDF)超濾膜相比較(

膜，可購自Millipore Corporation of Billerica，Massachusetts)。
圖3顯示為以死端模式由開放孔一側(cè)過濾熒光聚苯乙烯小珠后的膜的截面圖。這些實(shí)驗(yàn)中所用小珠的尺寸為31納米、60納米和170納米。
對于用31納米的顆粒對本發(fā)明的膜的測試，經(jīng)過濾的顆粒分布在整個(gè)超濾層的厚度上。然而對于雙層的PVDF，這些顆粒僅集中于膜表面的小孔以下。因?yàn)樵摫砻鏋榱魈峁┦芟拗频目讖?，聚集的顆粒層更類似于將這些孔堵塞，并對滲透性具有更有害的影響。
對于用60納米的顆粒進(jìn)行的測試，這些顆粒被擋在超濾層以外，并擴(kuò)散地分布于連接區(qū)域內(nèi)。對于雙層的PVDF，這些顆粒在微孔基板與PVDF膜的超濾層的連接處或其附近形成聚集的層。
相似的結(jié)果參見170納米顆粒的測試。本發(fā)明的膜將這些顆粒保留在表皮以外的擴(kuò)散層中。兩層PVDF再次將這些顆粒阻擋在兩層連接處的致密層中。
在所有這些情況中，本發(fā)明的膜以擴(kuò)散的方式阻擋這些顆粒，其擴(kuò)大了孔的堵塞作用，并提高了過濾流及壽命。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案中，我們以一種新的方式采用US5,444,097(’097)的教導(dǎo)?！?97專利教導(dǎo)了使用具有下臨界溶解溫度(LCST)的聚合物溶液以制備微孔膜。將LCST溶液加熱至LCST以上會導(dǎo)致相分離。在形成多層液態(tài)膜之后，將該步驟并入本發(fā)明方法中以進(jìn)一步改變并控制所制膜層的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一種或多種溶液應(yīng)為LCST溶液。發(fā)現(xiàn)在溶液溫度上升至LCST之上的溫度，以及保持高于LCST的時(shí)間，控制膜層的最終孔徑。此外，若在液態(tài)層中存在溫度梯度，則應(yīng)存在相應(yīng)的孔徑梯度分布。
在本發(fā)明中，使用LCST溶液以制造多種結(jié)構(gòu)。
使用LCST溶液制成的雙層復(fù)合超濾膜在第二微孔層之上具有第一層帶表皮的非對稱層，用于第一層的優(yōu)選溶液中聚合物固體含量為約15至約30％，更優(yōu)選范圍為約20至約25％的聚合物固體。所有涉及溶液的百分比均為溶液的重量百分比。對于微孔層，聚合物溶液的聚合物固體含量為溶液重量的約10至約20％，更優(yōu)選的范圍為約15至約18％。第一層溶液的LCST優(yōu)選為約70℃至約150℃。第二層的LCST范圍優(yōu)選為約40℃至約60℃。第一層的厚度為約2至約100微米，優(yōu)選為2至約50微米，更優(yōu)選為約2至約25微米。多孔第二層的厚度范圍為約50至約200微米，優(yōu)選的厚度為約80至約150微米，更優(yōu)選的范圍為約100至約125微米。共澆鑄復(fù)合膜的總厚度在約52至約300微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選為約75至約200微米，更優(yōu)選為約90至約120微米。若孔徑?jīng)Q定于LCST溶液加熱至高于LCST的溫度，以及在高于LCST的溫度下所保持的時(shí)間，則技術(shù)人員將通過常規(guī)試驗(yàn)及誤差來確定操作其特殊處理設(shè)備的合適條件?？赏ㄟ^多種方法加熱溶液。用聚合物溶液層涂覆的載體可在一個(gè)加熱的表面上轉(zhuǎn)送，如平板、塊體或棒。一個(gè)優(yōu)選的方法是使用旋轉(zhuǎn)的加熱鼓。也可通過非接觸的方法進(jìn)行加熱，例如紅外加熱或微波能。若使用加熱鼓以提高經(jīng)涂覆網(wǎng)的溫度，則載體網(wǎng)的厚度和絕熱性質(zhì)，以及聚合物溶液的厚度與所期望的孔徑密切相關(guān)。測定并控制鼓的溫度以及處理的速度以制造所期望的膜。通過上述設(shè)備和制造處理?xiàng)l件測定加熱面的溫度。
對于第一微孔層和第二超濾層的情況，用于第一層的優(yōu)選溶液中聚合物固體的含量為約10至約20％，更優(yōu)選范圍為約12至約16％的聚合物固體。所有涉及溶液的百分比均為溶液的重量百分比。對于第二超濾層，聚合物溶液中聚合物固體的含量優(yōu)選為約15至約30％，更優(yōu)選的范圍為約20至約25％的聚合物固體。第一層溶液的LCST優(yōu)選為約40℃至約60℃。第二層的LCST范圍優(yōu)選為約70℃至約120℃。第一層的厚度為約2至約50微米，更優(yōu)選為約5至約25微米。超濾膜第二層的厚度優(yōu)選為約80至約150微米，更優(yōu)選為約100至約125微米?？偤穸葍?yōu)選為約90至約120微米。類似于上述情況，技術(shù)人員將通過常規(guī)試驗(yàn)及誤差來確定操作其設(shè)備的合適條件。
若需要由形成超濾膜的溶液制備雙層膜，則上述參數(shù)作為獨(dú)立層的成分和工藝參數(shù)的參考。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，由一種溶液并在一定條件下制得第一層，若作為一層澆鑄，則該條件得到帶表皮的非對稱超濾膜。若作為一層澆鑄，則第二層得到微孔膜。所得結(jié)構(gòu)為微孔層上的帶表皮的非對稱超濾膜，并具有它們之間的疊加過渡區(qū)域。在一個(gè)優(yōu)選的方法中，澆鑄成層的兩種溶液都具有LCST，其中超濾層的LSCT較高。在浸入沉淀浴之前，將澆鑄的多層液體薄片加熱至預(yù)定的溫度，該溫度高于第二(微孔)層的LCST且低于第一(超濾)層的LCST。已發(fā)現(xiàn)這導(dǎo)致在微孔層上的超濾層，以及二者之間的過濾區(qū)域。
若超濾層不具有LCST或不具有可測量的LCST，而微孔層溶液具有LCST，則可實(shí)施本具體實(shí)施方案的一個(gè)優(yōu)選的變體，并得到大體相同的結(jié)構(gòu)。
也可使用兩種均不具有LCST的溶液，但其單獨(dú)地制成所需超濾層和微孔層的結(jié)合。
由實(shí)施例3所示的一個(gè)具體實(shí)施方案中，該膜由頂層超濾膜和底層形成，該頂層超濾膜是由LCST高于鼓溫的溶液制成，該鼓溫用于在浸沒之前加熱形成的溶液層，該底層是由LCST低于鼓溫的溶液制成。在本實(shí)施例中，假設(shè)超濾層溶液的LCST高于150℃，這是因?yàn)闇y試設(shè)備的限制而無法測量。當(dāng)鼓溫約等于微孔層溶液的LCST時(shí)，兩層間的梯度驚奇地變得不易被觀察到。然而，如此形成的復(fù)合膜具有通過澆鑄一層超濾層于預(yù)制的微孔膜上而制成的雙層膜(Viresolve，Millipore公司)。不由以下所限制，發(fā)明人的理論是Viresolve制膜工藝使得頂層滲透入底層，得到圖3所討論的類型的結(jié)果。然而，因?yàn)樵趩尾街兄频?，所以?shí)施例3的膜在兩層界面處不具有相同類型的“瓶頸”。實(shí)際上，其具有一個(gè)梯度分布，雖然尖銳，但仍可在此描述為本發(fā)明的膜。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，第一層優(yōu)選為薄微孔層，即5至30微米厚，第二層是由一種溶液并在制造超濾層的條件下制得。在一個(gè)高度優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，微孔層和超濾層均由具有LCST的溶液制得，其中超濾層溶液的LCST較高。當(dāng)加熱至高于微孔層溶液的LCST且低于超濾層溶液的LCST時(shí)，微孔層將發(fā)生相分離。然后的浸沒過程將固定微孔結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致超濾溶液的相分離以形成多層膜。若超濾層不具有LCST而微孔層溶液具有LCST，則可實(shí)施本具體實(shí)施方案的一個(gè)優(yōu)選的變體，并得到大體相同的結(jié)構(gòu)。也可使用兩種均不具有LCST的溶液，但其單獨(dú)地制成所需超濾層和微孔層的結(jié)合。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，多層超濾膜是由兩層制造超濾膜的溶液制成，若作為單層澆鑄，則該溶液制成帶表皮的非對稱超濾膜。
以一種相似的方式，具有上臨界溶解溫度(UCST)的溶液在被冷卻至UCST以下時(shí)發(fā)生相分離，該溶液可用于制造本發(fā)明的過濾膜，該溶液在加熱狀態(tài)形成多層液體膜，并被冷卻以實(shí)現(xiàn)相分離。在LCST和UCST的具體實(shí)施方案中，可通過浸入凝固劑的方法進(jìn)一步發(fā)生相分離，如前文所述。
控制過渡區(qū)或區(qū)域?qū)τ诒景l(fā)明是重要的。為得到可用的過渡區(qū)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)需要控制各層的厚度，特別是第一層，以及兩種溶液的相對粘度，因此粘度差異并非過大，以及形成層的相對時(shí)間，即層的固化。上述變量可作為其他技術(shù)人員的指導(dǎo)，但必須考慮到所用的各組溶液以及特別的設(shè)備與本發(fā)明的說明中所述者存在差異。
本發(fā)明提供一種高效的基于膜的方法以從含人造蛋白質(zhì)的溶液中去除病毒，該方法的特征在于其迅速(即通過流量測定)且高效(即通過減少值的對數(shù)表示)地實(shí)施的能力。
本方法的實(shí)施包括使含人造蛋白質(zhì)的溶液在以下條件下流過含有本發(fā)明復(fù)合超濾膜的過濾裝置，該條件為足以使所述蛋白質(zhì)通過所述復(fù)合膜的條件，污染所述含蛋白質(zhì)的溶液的任意指定的病毒基本上都被阻止通過所述非對稱膜，由此基本上將其去除。
這里所用的“含人造蛋白質(zhì)的溶液”是一個(gè)特別定義的術(shù)語。對比于具有天然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)含量的溶液(如具有天然產(chǎn)生的微生物含量的水)，“人造”溶液中的蛋白質(zhì)含量豐富，作為人的干涉及可能的其他溶液提純過程的操作結(jié)果，因此所述溶液中的主要溶質(zhì)是所述的蛋白質(zhì)。
關(guān)于復(fù)合膜，需要一些標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)施本發(fā)明方法。首先，各層必須基本上均為親水性的。其次，復(fù)合膜必須能基本上阻止指定病毒的通過，同時(shí)基本上允許人造生物蛋白質(zhì)的通過。
除此以外，但相關(guān)于去除病毒的方法，本發(fā)明還提供一種包括由一層、兩層或三層界面附近的復(fù)合超濾膜形成的折疊管的過濾膜盒(filtration capsule)。雖然在其他方面可能具有適用性，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)在實(shí)施本發(fā)明的去除病毒的方法中十分有效，包括其耐用性、可靠性、成本以及易于使用和替換。
綜上所述，本發(fā)明的主要目的是提供一種從含人造蛋白質(zhì)的溶液中高效去除病毒的方法，具體而言，對于相對大的病毒(如鼠白血病病毒)或相對較小的病毒(如parvo病毒)可在減少值的對數(shù)大于6的情況下有效地實(shí)施。
本發(fā)明的另一個(gè)主要目的是提供一種用于實(shí)施所述去除病毒的方法的過濾膜盒。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于從溶液中去除病毒的裝置，該裝置包括適于包含過濾材料的外殼，其特征在于含有一個(gè)接收待過濾流體的入口以及排出濾液的出口，該過濾材料包括一種、兩種或三種復(fù)合無孔隙的膜，上游層的取向?yàn)槠洹白罹o的”一側(cè)對著下游。
一般而言，發(fā)現(xiàn)通過引入多重非對稱超濾膜，膜以“緊密一側(cè)對著下流”的取向的折疊結(jié)構(gòu)中排列，所制過濾膜盒將具有良好的病毒保留能力，仍保持良好的流量。雖然這些參數(shù)在不使用本發(fā)明方法的所有教導(dǎo)時(shí)不會如此高，在所有的情況下并非總需要達(dá)到如此高的程度(特別是關(guān)于病毒的保留)不能在所有情況下達(dá)到。例如，對于某些非藥物學(xué)提純的應(yīng)用，病毒減少值的對數(shù)無需接近大于2的數(shù)值。
關(guān)于其優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，過濾膜盒包括一個(gè)管狀外殼和一個(gè)基本上在所述外殼以內(nèi)的共軸封閉的折疊過濾管。過濾膜盒的管狀外殼用于包含并引導(dǎo)流體處理流通過——因此具有一個(gè)流體入口和濾液出口。流體處理流u位于折疊過濾管的上游，使其通過流體入口引入過濾膜盒。在折疊過濾管的下游，使流體處理流d通過濾液出口排出過濾膜盒。
用于管狀外殼的材料主要取決于其預(yù)定的應(yīng)用領(lǐng)域。注模熱塑性材料，如聚乙烯、聚丙烯等，均為最合適的待選物。然而，也考慮使用金屬、玻璃或陶瓷。若用于清除生物藥物蛋白質(zhì)產(chǎn)品中的病毒，所選材料應(yīng)與其中所含的流體(如溶劑)以及環(huán)境參數(shù)(如溫度和壓力)相匹配，并應(yīng)具有低蛋白質(zhì)結(jié)合特性。其中優(yōu)選的材料是聚丙烯。
一般而言，因?yàn)檫^濾裝置在多數(shù)過濾過程中經(jīng)常需要滿足幾種結(jié)構(gòu)和功能的標(biāo)準(zhǔn)，包括外殼和任何內(nèi)部元件的疊加結(jié)構(gòu)不會是簡單的。雖然可采用單層連續(xù)且單一的結(jié)構(gòu)，在所有的可能性中管狀外殼包括幾種協(xié)同裝配的部分，典型地包括一個(gè)管狀外殼，其包含一個(gè)上部殼和一個(gè)或兩個(gè)底帽。
折疊過濾管被安置于管狀外殼以內(nèi)，因而其可在工作中分開在流體入口和濾液出口之間流動的流體處理流。該折疊過濾管包括至少一層本發(fā)明的非對稱膜。優(yōu)選將一層或多層均如此取向，以使得通過流體入口引入所述外殼中的流體開始分別透過各非對稱膜的開放一側(cè)。
過濾管的折疊可被設(shè)置成皺紋狀，或呈螺旋形安置，并可具有環(huán)形截面或折疊截面，如W形截面。這里所用的術(shù)語“折疊”或“被折疊”是指包括所有這些截面形狀。關(guān)于所占體積，與使用平面薄片相比，折疊的結(jié)構(gòu)使引入的流體處理流具有更大的表面積。其在需要最大化流量的考慮中具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，尤其在處理高效病毒清除時(shí)。
將折疊過濾管封裝在可替換的盒中。若可至少概念性地將折疊過濾管放置在過濾膜盒中而無需盒的作用，另外在實(shí)際上通過可易于替換失效的折疊過濾管，且無需繁重的和/或麻煩的分解過程，和/或需要處置整個(gè)過濾膜盒，而實(shí)現(xiàn)可替換性的、或商業(yè)和環(huán)境上的優(yōu)勢。替換過程通過以下步驟實(shí)施從上部殼旋開底帽，從過濾出口拔去失效的過濾盒并使其摩擦力匹配，插入新的盒，并旋上底帽。
通過使用共同組成可替換盒的外部和內(nèi)部的支持體，將一個(gè)或多個(gè)管狀折疊薄片保持在過濾膜盒中相對固定的管狀結(jié)構(gòu)中。這些支持體是由剛性材料制成并具有均勻分布的孔洞從而允許流體的向內(nèi)流i從外部區(qū)域進(jìn)入折疊過濾管，通過其膜進(jìn)入管的中心，然后最終流出過濾膜盒。
關(guān)于可替換過濾盒的結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)一步說明，可以參考S.Proulx等人于1998年4月7日提交的編號為5,736,044的美國專利。在其他主題中，該專利描述了一種包括薄片膜和深度過濾器的復(fù)合過濾盒。該復(fù)合過濾器的外觀可引入本發(fā)明過濾膜盒的結(jié)構(gòu)中，而不會背離這里所限定的本發(fā)明的精神和內(nèi)容。
為從蛋白質(zhì)溶液中去除病毒，含有所關(guān)心蛋白質(zhì)以及一種或多種類型的病毒的溶液，利用一種或多種超濾膜以TFF模式或NFF模式對該溶液實(shí)施過濾步驟。在任何一種模式中，實(shí)施過濾過程，使直徑基本上為20至100納米的病毒均被保留在膜上，而允許蛋白質(zhì)透過該膜。此外，當(dāng)溶液的過濾完成時(shí)，用水或含水緩沖溶液沖洗該膜以除去被保留任何的蛋白質(zhì)。實(shí)施沖洗步驟可獲得基本上無病毒的高產(chǎn)蛋白質(zhì)溶液。
實(shí)施例 混濁點(diǎn) 對于給定成分的聚合物溶液，可視的混濁點(diǎn)溫度用于近似下臨界溶解溫度。在該溫度下通過加熱，聚合物溶液相從單相分離成兩相。
該過程包括加熱一個(gè)封裝于加熱浴中的透明容器中的小的漆樣品，并觀察溶液開始變混濁時(shí)的溫度。緩慢地實(shí)施該過程以保證由浴中的溫度計(jì)所示溫度與漆樣品的溫度一致。
自動跳躍泡沫點(diǎn) 自動跳躍泡沫點(diǎn)測試器是一個(gè)用于測量超濾膜和微孔膜上泡沫點(diǎn)的自動壓力跳躍裝置。自動跳躍泡沫點(diǎn)是“完全起泡”壓力，可直觀的觀察到。
Vmax Vmax是在被堵塞以至于流量減至近似為零以前，膜可過濾的溶液量的度量。Vmax的測量是通過在一個(gè)預(yù)定壓力下過濾溶液并記錄下作為時(shí)間函數(shù)的經(jīng)過濾的體積。被體積除的時(shí)間與體積作圖。斜率的倒數(shù)即為Vmax。
隔離病毒顆粒測試 在30psld的恒定壓力下，使用一個(gè)在不銹鋼支持物中的單個(gè)47毫米圓盤(Millipore，Billerica，MA cat#XX44 047 00)進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)備自動收集。用Milli-RO水使膜潤濕。所有試驗(yàn)開始時(shí)都用緩沖溶液沖洗2至5分鐘以平衡該膜并測定滲透性。膜的開放孔一側(cè)對著送料壓力。用一種溶液測試所有待選物，該溶液含有1毫克/毫升人血漿lgG(Bayer，lot#648U035)以及107pfu/mL Phi-X174(Promega，cat#11041m lot#7731801)在10mM醋酸鹽緩沖溶液中，pH值為5。細(xì)菌噬菌體的挑戰(zhàn)顆粒Phi X 174是通過空斑化驗(yàn)使用其母體細(xì)菌化驗(yàn)。產(chǎn)生稀釋系列以測試濃度。以滲透濃度與送料濃度之比的反對數(shù)計(jì)算LRV。
實(shí)施例1 在實(shí)施例中通過如下方法制備溶液。
由含有聚合物聚醚砜(PES)、Radel A200樹脂(Solvay)溶劑、N-甲基吡咯烷酮(NMP)以及非溶劑三甘醇(TEG)的溶液澆鑄得到聚醚砜(PES)膜。該溶液在室溫下是均勻的，但當(dāng)加熱時(shí)發(fā)生相分離。溶液開始相分離的溫度被稱為混濁點(diǎn)溫度，該溫度是溶液成分的函數(shù)，并對水的濃度極其敏感。盡量避免使原材料，尤其是TEG，以及最終溶液暴露于大氣中是重要的。該聚合物應(yīng)在例如150℃下實(shí)施預(yù)干燥3小時(shí)。
分兩步實(shí)施混合。首先，將聚合物加入所有NMP和僅部分TEG的混合物中。使該部分混合，同時(shí)加熱至約50℃至80℃直至溶液澄清。降低溫度至約30℃至約50℃。然后添加剩余的TEG以形成最終溶液。
通過將17％的PES(Radel A200)溶解于29.2％的NMP和53.8％的TEG中制備第一聚合物溶液。測得混濁點(diǎn)為50.2℃。
通過將22％的PES(Radel A200)溶解于28.1％的NMP和49.9％的TEG中制備第二聚合物溶液。額外加入NMP(最終溶液的6.3％)以達(dá)到83.6℃的混濁點(diǎn)。
如WO 01/89673(Kools)所描述，使用一個(gè)槽模涂覆機(jī)共澆鑄兩種溶液。將第一溶液的澆鑄厚度調(diào)整為145微米的最終層厚度。將第二溶液的澆鑄厚度調(diào)整為15微米的最終層厚度或?yàn)檎麄€(gè)膜厚的約10％。
選擇形成條件以使得在55℃下浸入水浴中之前，將第一溶液在澆鑄鼓上迅速加熱至混濁點(diǎn)以上。同時(shí)第二溶液還未達(dá)到其混濁點(diǎn)。結(jié)果表明，由第一聚合物溶液形成微孔層，由第二聚合物溶液形成超濾層。通過調(diào)整鼓的溫度改變最終膜的特性，使第二層的厚度最小化以防止形成非期望的大孔。
所得的結(jié)構(gòu)和性能如下所示。通過高泡沫點(diǎn)表示保留特性，而無孔隙的超濾層以及致密的超濾表面可在掃描電子顯微鏡照片(圖4a和圖4b)中清楚地觀察到(所示鼓溫為45℃)。從超濾層到微孔層的過渡不太清晰，這對于使產(chǎn)量最大化是有利的。
表中的數(shù)據(jù)表明，隨鼓溫的下降，病毒的保留能力增強(qiáng)。鼓溫的影響是未預(yù)料到的，這是因?yàn)楸３值某瑸V層的LCST遠(yuǎn)高于所用的任何鼓溫，并且未預(yù)料到加熱超濾溶液至該溫度會影響膜的形成。然而，如數(shù)據(jù)所示，鼓溫從58℃降至45℃使得病毒保留能力提高多于兩個(gè)數(shù)量級。
對比于雙層膜，樣品5是通過將超濾層澆鑄于預(yù)制的微孔膜之上以形成具有明顯不同的兩層的復(fù)合膜(Millipore PPVG膜)。以下結(jié)果表明，對于近似的滲透性以及BAP泡沫點(diǎn)，本發(fā)明的膜(樣品5)的Vmax值顯著提高且病毒保留能力較好。
實(shí)施例2 通過將22％的PES(Radel A200樹脂)溶解于28.1％的NMP和49.9％的TEG中制備第一聚合物溶液。測得混濁點(diǎn)為48.6℃。
通過將14％的PES(Radel A200樹脂)溶解于29.2％NMP和56.8％的TEG中制備第二聚合物溶液。額外加入3％的NMP以達(dá)到59.3℃的混濁點(diǎn)。
如實(shí)施例1中所描述的方法，共澆鑄兩種溶液。將第一溶液的澆鑄厚度調(diào)整為140微米的最終層厚度。將第二溶液的澆鑄厚度調(diào)整為13微米的最終層厚度或?yàn)檎麄€(gè)膜厚的約8％。
選擇形成條件以使得在45℃下浸入水浴中之前，將第一溶液迅速暴露于加熱至55℃下的鼓上，該溫度高于其混濁點(diǎn)。結(jié)果表明，由第一聚合物溶液形成無大孔隙的超濾層，由第二聚合物溶液形成薄的微孔層。
所得的泡沫點(diǎn)相對較高，并假設(shè)通過處理?xiàng)l件中的額外空位可達(dá)到更高的水平。所得的結(jié)構(gòu)如下所示，其中無孔隙的超濾層和開放的微孔表面可在掃描電子顯微鏡照片上清晰地看出(圖4c和圖4d)。
令發(fā)明人十分驚奇的是，這些條件所得到的無大孔隙的膜具有非常多孔的微孔表面。鼓溫高于超濾層的LCST，但低于微孔層的LCST。(鼓溫低于超濾層的LCST則得到具有孔隙的超濾層。)然而，實(shí)施例2的膜的表面具有非常高的表面孔隙率。這些結(jié)果與發(fā)明人的預(yù)想相反。這進(jìn)一步說明本發(fā)明的膜與本發(fā)明同期的本領(lǐng)域情況相比具有新穎性和非顯而易見性。
實(shí)施例3 通過將17％的PES(Radel A200)溶解于29.2％的NMP和53.8％的TEG中制備第一聚合物溶液?？蓽y得混濁點(diǎn)為43℃。這將為底部或支持體微孔層。
通過將21％的PES(Radel A200)溶解于37％的NMP和42％的TEG中制備第二聚合物溶液?；鞚狳c(diǎn)高于150℃，無法測量。這將為頂部超濾層。
如WO 01/89673(Kools)所描述，共澆鑄兩種溶液。第二溶液在第一溶液上形成層。將第一溶液的澆鑄厚度調(diào)整為160微米的最終微孔膜層厚度。第二溶液的澆鑄厚度約為30微米或?yàn)檎麄€(gè)膜厚度的約20％。
選擇形成條件以使得在55℃下浸入水浴中之前，使分層的溶液迅速在澆鑄鼓上加熱至其混濁點(diǎn)附近的范圍內(nèi)。第二溶液尚未達(dá)到其混濁點(diǎn)溫度。結(jié)果表明，第一聚合物溶液形成微孔層，第二聚合物溶液形成超濾層。通過調(diào)整鼓的溫度改變最終膜的特性，使第二層的厚度最小化以防止形成非期望的大孔。
所得的結(jié)構(gòu)和性能如下所示。通過高泡沫點(diǎn)表示保留特性，而無孔隙的超濾層以及致密的超濾表面可在掃描電子顯微鏡照片(標(biāo)有50℃鼓溫度)中清楚地觀察到(所示鼓溫為50℃)。從超濾層到微孔層的過渡比實(shí)施例1更容易被觀察到，這對產(chǎn)量沒有影響。
鼓溫(℃)細(xì)小病毒的保留能力 Vmax(LRV) 602.84110 553.72269 505.01119 455.1228 405.5204 352.775 如實(shí)施例1，降低鼓溫使病毒的保留能力提高。35℃下的LRV與其他實(shí)驗(yàn)中的趨勢不一致。重復(fù)這些條件，所制膜的LRV為5，Vmax為約20。
實(shí)施例4 通過將18％的PES(Radel A200)溶解于30.2％的NMP和51.8％的TEG中制備第一聚合物溶液。測得混濁點(diǎn)為56℃。這將為底部或支持體的微孔層。
通過將23％的PES(Radel A200)溶解于37％NMP和42％的TEG中制備第二聚合物溶液?；鞚狳c(diǎn)高于150℃，無法測量。這將為頂部或超濾層。
如WO 01/89673(Kools)所描述，共澆鑄兩種溶液。第二溶液在第一溶液上形成層。將第一溶液的澆鑄厚度調(diào)整為155微米的最終微孔膜層厚度。第二溶液的澆鑄厚度約為10微米或?yàn)檎麄€(gè)膜厚度的約6％。
選擇形成條件以使得在55℃下浸入水浴中之前，使分層的溶液迅速在澆鑄鼓上加熱至其混濁點(diǎn)附近的溫度范圍內(nèi)。第二溶液尚未達(dá)到其混濁點(diǎn)。結(jié)果表明，第一聚合物溶液形成微孔層，第二聚合物溶液形成超濾層。通過調(diào)整鼓的溫度改變最終膜的特性，使第二層的厚度最小化以防止形成非期望的大孔。所得的性能如下所示，在較高的表面溫度下具有相對高的保留能力和高的Vmax值。
鼓溫(℃) 細(xì)小病毒的保留能力 Vmax (LRV) 60 4.61774 55 4.51339 45 5.5260
權(quán)利要求
1.一種去除病毒的方法，其適用于實(shí)施從生物藥物制造過程中的蛋白質(zhì)中以大流量流體分離病毒，該方法包括以下步驟
(a)提供一個(gè)過濾裝置，其包括具有一個(gè)流體入口和一個(gè)濾液出口的外殼，并且包括至少一個(gè)多層復(fù)合膜，該膜具有至少一層由至少兩種聚合物溶液制成的超濾層，其中
(i)所述復(fù)合膜基本上均為親水性的，
(ii)所述復(fù)合膜均能基本上阻止所述病毒透過，并能基本上允許所述蛋白質(zhì)透過，
(iii)所述復(fù)合膜均具有一個(gè)緊密面和一個(gè)開放面，所述緊密面的平均表面孔徑小于所述開放面的平均表面孔徑，及
(iv)最初的復(fù)合膜如此取向，以使得通過所述流體入口引入所述外殼中的流體開始透過所述最初非對稱膜的開放一側(cè)；
(b)提供一種含人造蛋白質(zhì)的溶液，其中所述溶液中的主要溶質(zhì)是所述蛋白質(zhì)，且其中該溶液易于被所述病毒污染；及
(c)使含人造蛋白質(zhì)的溶液在以下條件下流過所述過濾裝置，該條件為足以使所述蛋白質(zhì)通過各所述復(fù)合膜并通過所述濾液出口流出所述外殼的條件，污染所述含人造蛋白質(zhì)的溶液的任意病毒基本上都被阻止通過所述非對稱膜，由此基本上將其去除。
2.如權(quán)利要求1所述的去除病毒的方法，其中所述復(fù)合膜形成折疊管。
3.如權(quán)利要求1所述的去除病毒的方法，其中各所述復(fù)合膜的組成和孔隙率基本相同，并且限定各所述非對稱膜的孔隙率以使得該去除病毒的方法的性能為，所得減少值的對數(shù)(LRV)大于6且蛋白質(zhì)透過率大于98％。
4.一種適用于去除病毒的方法的過濾膜盒，其包括一個(gè)管狀外殼，其中可引導(dǎo)流體處理流通過，該外殼具有一個(gè)流體入口和一個(gè)濾液出口，并含有一個(gè)由一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)界面對接的多層復(fù)合膜組成的折疊管，該多層復(fù)合膜具有至少一層由至少兩種聚合物溶液膜制得的超濾層，其中該折疊管被安置在所述流體入口和所述濾液出口之間的所述處理流中，并且各所述復(fù)合膜為
(a)基本上為親水性的，
(b)能基本上阻止病毒透過，
(c)具有一個(gè)緊密面和一個(gè)開放面，所述緊密面的平均表面孔徑小于所述開放面的平均表面孔徑，及
(d)如此取向，以使得通過所述流體入口引入所述外殼中的流體開始透過所述最初非對稱膜的開放一側(cè)。
5.如權(quán)利要求1所述的去除病毒的方法，其中所述方法中使用的過濾裝置為權(quán)利要求4中所述的過濾盒。
6.如權(quán)利要求4所述的過濾膜盒，其中所述非對稱膜均能基本上允許蛋白質(zhì)透過。
7.如權(quán)利要求4所述的過濾膜盒，其中所述各非對稱膜由聚醚砜組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多層復(fù)合超濾膜，其中具有至少一層超濾層，該超濾層的形成是先在一個(gè)支持板上共涂覆或依次涂覆一種高純度的高分子溶液形成生膜片，然后將膜片浸入凝膠液以達(dá)到相分離，制得含有至少一層超濾層的多層復(fù)合超濾膜。
文檔編號B01D61/18GK101816898SQ20101015497
公開日2010年9月1日 申請日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者加布里埃爾·特卡奇克, 菲利普·格達(dá)德, 威廉·弗朗西斯庫斯·卡瑟里娜·庫斯, 尼廷·薩塔弗 申請人:米利波爾公司