CN115025630A

CN115025630A - 一种中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法及产品

Info

Publication number: CN115025630A
Application number: CN202210621813.7A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Sepp Hangzhou Filtration Technology Co ltd
Current assignee: Sepp Hangzhou Filtration Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2022-09-09

Abstract

本发明公开了一种中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，包括：(1)将酯化纤维素、致孔组份、混合溶剂混合均匀，过滤脱泡，得到纺丝液；(2)利用喷丝头将外喷头内的纺丝液和内喷头内的芯液喷出进入装有凝固液的凝固浴中，并将固化好的中空膜连续收集；(3)将固化后的中空膜水解得到再生中空纤维膜。本发明同时提供了一种中空纤维素除病毒过滤膜产品。本发明采用的原材料天然亲水，蛋白吸附极低，制备过程简单，不需要经过后续的处理。本发明的方法使得截面结构的可控，可控的结构使得对过滤料液的选择性大大增加，使过滤所伴随的堵塞得到抑制，提高过滤性能。

Description

一种中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法及产品

技术领域

本发明属于去除病毒技术领域，具体是涉及一种中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法及产品。

背景技术

在生物制药行业、血液制品行业或者重组蛋白领域，病毒去除是非常重要的一个处理步骤。采用病毒过滤膜则是一种即不会导致蛋白改性，又可以降低病毒的有效方法。纤维素由于其优良的亲水性能，不需要后处理改性，且蛋白吸附极低，且相比于PVDF膜通量更快，纤维素除病毒过滤膜是目前的使用较为广泛的去除病毒过滤膜。

例如，公开号为CN108602026A的专利文献公开了一种去除病毒的膜以及去除病毒的膜的制备方法，其采用将纤维素溶解于铜氨溶液中，然后在其中加入硅酸盐，形成纺丝原液，然后进行熟化，然后再利用含有氨水的凝固液中进行微相分离和固化，最终得到除病毒纤维过滤膜。该方法存在诸多问题，一方面采用铜氨溶液，污染较大，回收和后处理难度较大，同时，该方法需要对工艺的参数进行严格的控制。

公开号为CN105980038B的专利文献也公开一种中空纤维膜，同样是采用将纤维素溶解于铜氨溶液中进行膜的制备，存在同样的技术问题。且可控性差。

公开号为CN 105980037B的专利文献公开了一种中空去除病毒的膜，其采用聚偏二氟乙烯树脂制备中空去除病毒的膜。然而这些疏水性的热塑性结晶树脂容易产生蛋白质等的吸附、膜的污染、堵塞等，引起过滤速度急剧降低。因此，使用疏水性树脂作为去除病毒的膜的材质的情况下，为了防止由于蛋白质等的吸附所导致的闭塞，需要对膜进行亲水性改性。比如通过接枝聚合法而使膜具备亲水性的接枝链。该结构膜一方面生物降解性差，无法回收，同时制备工艺复杂。

发明内容

本发明提供了一种中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，该方法工艺简单，避免采用污染严重的铜氨溶液，且可控性强。

同时本发明还提供了一种由上述制备方法制备得到的中空纤维膜，该中空纤维膜生物可降解性好，可回收，且性能均满足病毒过滤要求。

一种中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，包括：

(1)将酯化纤维素、致孔组份、混合溶剂混合均匀，过滤脱泡，得到纺丝液；

(2)利用喷丝头将外喷头内的纺丝液和内喷头内的芯液喷出进入凝固浴，并将固化好的中空膜连续收集，得到固化后的中空膜；

(3)将固化后的中空膜水解得到再生中空纤维膜。

作为优选，步骤(1)中酯化纤维素、致孔组份、混合溶剂的重量百分比组成为：

酯化纤维素 12％-30％

致孔组份 20％-45％

混合溶剂 35％-60％。

作为优选，所述酯化纤维素的重量百分比含量为15％-25％；进一步优选为16-21％。所述致孔组份的重量百分比含量为23％-35％，更进一步优选为23％-30％。所述混合溶剂的重量百分比含量为50％-60％，更进一步优选为55％-58％。

作为优选，所述致孔组份中包括占总组分(酯化纤维素+致孔组份+混合溶剂)重量0.1％-5％的致孔组份A和20％-40％的孔组份B；作为进一步优选，所述致孔组份中包括占总组分重量0.1％-1.5％的致孔组份A和20％-30％的致孔组份B；作为更进一步优选，所述致孔组份中包括占总组分重量0.1％-1％的致孔组份A和20％-25％的致孔组份B。所述致孔组份A选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、水中的一种或多种；所述致孔组份B选自甲酰胺、乙酰胺中的一种或两种。

作为优选，所述混合溶剂包含易挥发溶剂和不易挥发溶剂；所述易挥发溶剂选自丙酮、二氧六环中的一种或多种；所述不易挥发溶剂选自二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或多种；所述不易挥发溶剂进一步优选为二甲基乙酰胺和二甲基亚砜，两者的比例优选为5～15:1。作为优选，所述混合溶剂中包括占总组分重量20％-30％的易挥发溶剂和占总组分重量15％-30％的不易挥发溶剂。作为进一步优选，所述混合溶剂中包括占总组分重量25％-30％的易挥发溶剂和占总组分重量25％-30％的不易挥发溶剂。作为更进一步优选，所述混合溶剂中包括占总组分重量27％-30％的易挥发溶剂和占总组分重量28％-30％的不易挥发溶剂。

作为优选，所述酯化纤维素选自二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、丙酸纤维素、邻苯二甲酸乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素中的一种或多种。

作为优选，步骤(1)中，混合温度为30-80℃，进一步优选为40-80℃。

通过调整步骤(1)中物料比例，可以得到不同平均孔径的再生纤维素除病毒平板过滤膜。

作为优选，步骤(1)中，外喷头中纺丝液的喷料速度为1-5ml/min。进一步优选为1-2ml/min。所述内喷头中芯液的喷料速度为1.5-10ml/min；进一步优选为2-3ml/min。

作为优选，本发明可以通过调整步骤(2)中喷丝头与凝固浴之间的距离，调控纺丝液与空气的接触时间，实现对纺丝液的预成型。通过控制空气湿度和/或空气风速度或空气停留时间调控预成型纺丝液中孔径大小和分布。空气湿度越大，空气风速度越大，停留时间越久，水汽的浸入与挥发性溶剂的挥发交换的程度越高，表面开孔就越大，并且从截面层看，大孔层占比越高。大孔层占比会影响膜的强度，会影响膜的孔隙率，会影响病毒的截留效率，会影响igg的透过率。

作为优选，所述空气湿度为60％-95％；所述空气风速度为0.2m/min-0.5m/min；所述空气段高度为3-20cm；空气段中的停留时间为0.2s-10s。作为进一步优选，所述述空气湿度为75％-90％；所述空气风速度为0.1m/min～1m/min；所述停留时间为0.2-0.5s。湿度增加，停留时间增加，风速增大，都有利于致密层厚度的减小，拉伸力的减小和流速的增大。

本发明中，通过调节芯液、凝固液的组成、温度，调整芯液、凝固液体系的表面张力、传质速度，进而实现对中空膜内表面、外表面孔径大小和分布、致密层相对位置等调控。一般来讲芯液、凝固浴体系的表面张力小于21mN.m^-1，由于物质之间的交换速率变慢，导致分相速度降低，膜固化成型时间上升，不利于正常生产。芯液、凝固浴体系的表面张力大于28.9mN.m^-1，内表面或者外表面容易形成皮层结构，形成皮层小孔结构厚度范围在100-300nm，孔径范围在1k-100k之间，不利于病毒的过滤。在不同表面张力或温度条件下，物质的分相速度不一样。张力越大，温度越高，纺丝液与芯液、凝固浴的交换速度越快，分相加快，表层固化时间越短，形成小孔层，由于表层的小孔，阻碍了表层以下纺丝液的交换速度，从而形成了大孔。

本发明中，所述凝固浴包括重量比为10％-60％之间的高表面张力溶剂和40％-90％的低表面张力溶剂。作为进一步优选，作为进一步优选，所述凝固浴包括重量比为30％-60％之间的高表面张力溶剂和40％-70％的低表面张力溶剂；作为更进一步优选，所述凝固浴包括重量比为50％-60％之间的高表面张力溶剂和40％-50％的低表面张力溶剂。所述芯液包括重量比为10％-60％之间的高表面张力溶剂和40％-90％的低表面张力溶剂。作为进一步优选，作为进一步优选，所述芯液包括重量比为30％-60％之间的高表面张力溶剂和40％-70％的低表面张力溶剂；作为更进一步优选，所述芯液包括重量比为40％-50％之间的高表面张力溶剂和50％-60％的低表面张力溶剂。

所述芯液或凝固浴体系的表面张力控制在21mN.m^-1-28.9mN.m^-1之间；作为优选，所述凝固浴体系的表面张力控制在23mN.m^-1-28.9mN.m^-1之间；所述芯液的表面张力控制在22mN.m^-1-25mN.m^-1之间；或者，所述芯液为压缩的氮气，流量控制在5-20ml/min，主要为了避免传统芯液在膜丝内部的残留。

作为优选，空心膜在凝固浴中的停留时间为10～200s，进一步优选为50～100s。

作为优选，固化时，所述凝固浴的温度为15℃-30℃，进一步优选为15℃-27℃。所述芯液温度为20℃-30℃，进一步优选为20℃-27℃。

作为优选，所述高表面张力溶剂为水；所述低表面张力溶剂为甲醇、乙醇和异丙醇三种的任意混合或其中一种。

作为优选，所述固化后的中空膜为内侧向外侧孔径减小的结构；或者所述固化后的中空膜为内侧向外侧孔径增加的结构；或者所述固化膜为由两侧向中间孔径减小的结构。

作为优选，可采用带有绕卷机构的收丝装置实现中空膜连续收集。绕卷速度一般与固化速度一致，进而实时的将固化好的中空膜收集。所述绕卷速度一般控制在5m/min-25m/min。

作为优选，水解在碱溶液中进行，所述碱溶液的浓度为0.01mol/L-1mol/L，水解后的再生纤维素膜，进行清洗，保湿处理，烘干得到所述的再生纤维素除病毒过滤膜。进行水解工序时，可以直接将卷绕好的空心膜置入碱液中，待空心膜水解完成，即可将卷绕好的空心膜取出，后处理，得到所述的再生中空纤维膜。

水解过程中，水解浓度越高，所需得到再生纤维素的时间会越短，水解温度越高，范围在30-80℃，得到再生纤维素的时间也会越短。最终表征手段是通过红外进行验证，直到醋酸纤维素的羰基峰1740cm^-1完全消失，得到完全的再生纤维素。

水解后的再生纤维素膜，进行清洗，保湿处理，烘干得到所述的再生纤维素除病毒过滤膜。

一种中空纤维膜，由上述任一项所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法制备得到，所述过滤膜中致密层平均孔径为10-40nm，进一步优选为15-30nm，更进一步优选为18-23nm；本发明中，所述“致密层”是指主要起到过滤去除病毒的膜层，也可以称作“精密层”。所述精密层厚度为15μm-60μm；进一步优选为25-40μm。

作为优选，干燥状态下膜壁厚为30μm-70μm。外径(直径)为300μm-600μm。内径(直径)为300μm-600μm。

作为进一步优选，干燥状态下膜厚为35μm-50μm。外径为400μm-500μm。内径为350μm-450μm。

作为优选，所述再生中空纤维膜为由第一侧向第二侧孔径减小的结构，所述第一侧或第二侧可以是中空纤维膜的内侧，也可以是中空纤维膜的外侧。所述第一侧表面孔大小为0.5～2.5μm；所述第二侧表面孔大小为0.01～1μm。

本发明相比现有技术来说，本申请中所述的中空再生纤维素除病毒过滤膜具有的优点在于：1.原材料再生纤维素天然亲水，蛋白吸附极低，制备过程简单，不需要经过后续的处理。2.再生纤维素除病毒过滤膜的制备方法使得截面结构的可控，可控的结构使得对过滤料液的选择性大大增加，使过滤所伴随的堵塞得到抑制，提高过滤性能。3.厚实的精密过滤层(致密层增加了产品质量的稳定性，提高了病毒的去除率。4.在保证病毒去除的情况下，高通量大大提高了工艺的流程时间。

附图说明

图1、图2、图3分别为实施例1制备得到的再生纤维素除病毒过滤膜水解前、中、后的红外对比图。

图4、图5分别为实施例1对应的膜产品喷金后内表面和外表面对应的扫描电镜图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1～5

一种再生纤维素除病毒过滤膜的中空膜制备方法，包括步骤：

S1：提供二醋酸纤维素膜作为原料。在本实施例中，总物料量为20公斤，选取其中16.5％的二醋酸纤维素，1％的致孔组分A：聚乙烯吡咯烷酮K30，25％的致孔组分B：乙酰胺，29.5％的常规易挥发溶剂A丙酮，26％的常规不易挥发溶剂B二甲基乙酰胺和2％的二甲基亚砜。将上述各原料在40-50℃混合均匀，进行过滤脱泡，得到纺丝液。

S2：接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以1.6ml/min的速度喷出进入凝固浴(20℃的50％异丙醇水溶液)，将芯液(27℃的50％异丙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以2.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；空气段高度5cm(空气湿度为80％，空气风速度0.5m/min)，停留时间0.33s，纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化中空膜置于0.05m/L和50℃的氢氧化钠溶液中水解10小时，通过红外进行验证(如图1～3，图1为固化中空膜水解前的红外谱图，图2为水解过程(5小时)中的固化中空膜的红外谱图；图3为水解完成的红外谱图)，醋酸纤维素的羰基峰1740cm^-1完全消失，得到完全的再生纤维素膜。(中空纤维素的尺寸为外径480μm，壁厚45μm，内径390μm)

S3：清洗，将水解后的成品膜进行清洗并且将清洗完的再生纤维素膜浸泡在20％的甘油水溶液中，进行保湿，然后烘干。最终干燥后得到的干膜外径460μm，壁厚40μm，内径380μm。图4、图5分别为实施例1对应的膜产品喷金后内表面和外表面对应的扫描电镜图。

总物料不变，改变物料的组成得到不同孔径的中空再生纤维素膜，得到实施例2～5，见表1：

表1

注：溶剂B中“+”左边的数值表示二甲基乙酰胺的百分含量，“+”右边的数值表示二甲基亚砜的百分含量。

实施例6～9

总物料为20kg，选取19.2％二醋酸纤维素为原材料0.7％致孔剂A组分PVP-K30，24％致孔剂B组分乙酰胺，28.1％溶剂A丙酮，26％溶剂B二甲基乙酰胺和2％二甲基亚砜。纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以1.5ml/min的速度喷出进入不同凝固浴和凝固浴温度表2，使用不同的芯液和不同芯液温度(如表2)从喷丝头内喷头以2.3ml/min的速度同时喷出，其他工艺同实施例4。

表2

实施例10～12

与实施例4条件相同，不同之处在于利用表3中的酯化纤维素代替实施例4中的二醋酸纤维素：

表3

实施例	酯化纤维素
		10	三醋酸纤维素
11	丙酸纤维素
		12	醋酸丁酸纤维素

性能检测

平均孔径(nm)、泡压(MPa)、流速(LMH/bar)、致密层厚度(μm)、拉伸强度(N)、蛋白质透过率(％)、病毒截留(LRV)、外表面孔大小(nm)、内表面孔大小(nm)检测，见表5：

检测方法分别如下：

平均孔径测试：用孔径分布测试仪PMI进行测试，先裁切一定尺寸的膜，然后用低表面张力(15.6mN.m^-1N/m)溶剂(美国PMI设备商提供)进行润湿，然后放入测试槽内，最后通过干-湿线得到平均孔径和开始出泡孔径。

泡压测试：将得到的膜用低表面张力液体13.6mN.m^-1(3M^TMNovec^TM7100)润湿后，对该膜用压缩氮气缓慢地施加压力，直至膜表面产生连续的气泡，此时的气体压力称为泡压(MPa)。

流速：采用Millipore的Virusmax测试装置加25mm的不锈钢可换膜过滤器进行测试(蛋白质透过率实验和病毒过滤实验均采用此装置)，有效过滤面积为4.1cm²，使用温度为25℃的超纯水，压力控制在2bar下进行过滤测试。

致密层厚测试：通过SEM截面图，测试出致密层的厚度。

拉伸强度的测试：用裁膜刀将测试样品剪成宽1cm，长8-10cm的小膜片，用微机控制电子万能试验机LD22.501量程范围0-50N进行拉伸强度的测试。

蛋白质透过率测试：配制一定浓度的igg蛋白质溶液(比如1g/L、5g/L等)，经过0.22μm的预过滤排除颗粒和蛋白质溶液的预聚体。同样采用Millipore的Virusmax测试装置加25mm的不锈钢换膜过滤器进行测试，用紫外分光光度计UV-5(梅特勒所制)在280nm波长下，进行吸光度的测试。透过率计算公式如下：

透过率＝C₁/C₀×100％，C₁为透过液浓度，C₀为原液浓度。

病毒截留实验测试：使用多克隆抗体IgG作为抗体溶液，向所得到的抗体溶液中添加5％的MVM鼠细小病毒(大小18-24nm)、BVDV(大小50-70nm)，充分搅拌得到含有病毒的抗体溶液。采用Millipore的Virusmax测试装置加25mm的不锈钢换膜过滤器进行测试：

LRV＝log₁₀(C0/CF)

C0表示含有病毒的抗体的原液的感染滴度，CF表示使用再生纤维素除病毒过滤膜后的过滤液中的感染滴度。

外表面孔和内表面孔大小检测：表面孔和底面孔测试方式是同样采取SEM图，进行测量。

表5

由实施例1～5以及上述测试数据可知，改变步骤S1中物料的组成可以得到不同孔径的再生纤维素膜，充分说明本发明的方法具有较强的可控性，可以根据需要去除的病毒的尺寸大小选择适当的工艺，得到适当的膜产品。

由实施例6～9以及上述测试数据可知，通过调整凝固浴组成、温度，调控外表面孔大小分布。通过调整芯液组成、温度，调控内表面孔大小分布。通过调整凝固浴组成/温度、芯液组成/温度，调控致密层相对内外表面的位置分布。

由实施例10～12以及上述测试数据可知，采用不同的酯化纤维素，也会对平均孔径、内/外表面孔大小分布带来影响。

Claims

1.一种中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，包括：

(2)利用喷丝头将外喷头内的纺丝液和内喷头内的芯液喷出进入装有凝固液的凝固浴中，并将固化好的中空膜连续收集；

(3)将固化后的中空膜水解得到再生中空纤维膜。

2.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，通过调节芯液、凝固液表面张力调控中空膜内表面、外表面孔径大小和分布。

3.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，所述芯液或凝固液包括重量百分比为10％-50％之间的高表面张力溶剂和重量百分比为50％-90％的低表面张力溶剂；所述芯液或凝固浴体系的表面张力控制在21-28.9mN.m^-1之间；或者，所述芯液为气体。

4.根据权利要求3所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，所述高表面张力溶剂为水；所述低表面张力溶剂为甲醇、乙醇和异丙醇三种的任意混合或其中一种。

5.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中酯化纤维素、致孔组份、混合溶剂的重量百分比组成为：

酯化纤维素 12％-30％

致孔组份 20％-45％

混合溶剂 35％-60％。

6.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，所述致孔组份中包括占总组分重量0.1％-5％的致孔组份A和占总组分重量20％-40％的致孔组份B；所述致孔组份A选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、水中的一种或多种；所述致孔组份B选自甲酰胺、乙酰胺中的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，所述混合溶剂包含易挥发溶剂和不易挥发溶剂；所述易挥发溶剂选自丙酮、二氧六环中的一种或多种；所述不易挥发溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，所述酯化纤维素选自二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、丙酸纤维素、邻苯二甲酸乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，在厚度方向上，所述固化好的中空膜为内侧向外侧孔径减小的结构；或者所述固化好的中空膜为内侧向外侧孔径增大的结构；或者所述固化好的中空膜为由两侧向中间孔径减小的结构。

10.根据权利要求1所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法，其特征在于，水解在碱溶液中进行，所述碱溶液的浓度为0.01mol/L-1mol/L，水解后的再生纤维素膜，进行清洗，保湿处理，烘干得到所述的再生纤维素除病毒过滤膜。

11.一种中空纤维素除病毒过滤膜，其特征在于，由权利要求1～10任一项所述的中空纤维素除病毒过滤膜的制备方法制备得到，所述过滤膜中致密层平均孔径为10～40nm；干燥状态下膜壁厚为30μm～70μm，外径为300μm-600μm。