(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
中空繊維膜が半径方向スロットを含むローラの上を案内され、スロットは中空繊維膜の外径よりも幅が小さく、ローラはスロットへのアクセスを有する中央チャンバをさらに含み、中央チャンバおよびスロットに真空を印加することによって中空繊維膜はスロット内に吸い込まれ、中空繊維上に洗浄流体を同時に注ぐことによって洗浄流体は外側から膜を通じて中央チャンバ内に吸い込まれる、請求項3に記載のプロセス。
【発明を実施するための形態】
【0007】
本発明は、膜壁を通る洗浄流体の増強された対流輸送を伴う、ポリスルホンまたはポリエーテルスルホンおよびポリビニルピロリドンを含む中空繊維膜から残滓を除去する連続プロセスを提供する。
【0008】
プロセスの一実施形態において、膜壁を通る洗浄流体の対流輸送を増加させるために、膜の外側と内腔との間に圧力勾配が確立される。
【0009】
プロセスの一実施形態において、中空繊維膜は少なくとも1つの加圧洗浄チャンバを通じて案内される。洗浄流体は同時に、向流または直交流の圧力の下でチャンバ内に圧送される。適切な洗浄流体の例は、水、蒸気、エタノール、および過酸化水素水を含む。一実施形態において、洗浄流体は15から100℃、たとえば40から90℃の範囲の温度を有する。
【0010】
可能性のある一構成の模式図が、
図1に示される。ポリマー溶液はノズルの外輪スリットを通じて押し出され、紡糸シャフト2を通じて沈殿槽3内に落下する。得られた中空繊維膜4はその後、第一洗浄槽5、第二洗浄槽6、および加圧流体チャンバ1を通じて、糸車8まで通される。水7は、加圧流体チャンバ1内に直接圧送される。
【0011】
一実施形態において、少なくとも1つの加圧洗浄チャンバは円形であり、中空繊維膜のための出入り口として、2つの対向するスロットを有する。別の実施形態において、少なくとも1つの加圧洗浄チャンバは長方形である。
【0012】
一実施形態において、加圧洗浄チャンバの数は1から10の範囲、たとえば2から5の範囲である。本発明の一実施形態において、加圧洗浄チャンバの数は2である。
【0013】
スロットは、同じまたは異なる寸法を有することができる。一実施形態において、スロットはその最も狭い点において、0.2から1mm、たとえば0.3から0.5mmの範囲の深さおよび幅を有する。
【0014】
一実施形態において、インサートをより大きい溝内に配置することによって、所望の寸法のスロットが生成される。一実施形態において、インサート上のスロットは、加圧洗浄チャンバ上のスロットよりも短い長さを有する。
【0015】
加圧洗浄チャンバの一例が、
図2および
図3に示される。
図2は、
図1に模式的に描かれた加圧洗浄チャンバ1の底部10を示す。底部10は、一定の幅の内側部11および境界12を含み、境界は底部10を上部13に接続する接続手段を担持している(
図3に示される)。中空繊維膜用の吸入口および排出口は、底部10の境界12内の2つの対向する開口部または溝14の形態で提供される。
【0016】
図3は、3つの加圧洗浄チャンバ1の模式的構成を示しており、2つのチャンバの間の距離dはたとえば15cmである。各チャンバ1の上部13は、ネジによってそれぞれの底部10に取り付けられている。上部13の上面15には、加圧水、圧力測定、および温度測定のためのコネクタ16がそれぞれ設けられている。
【0017】
図4は、加圧洗浄チャンバの第二構成の模式図を示している。チャンバ1’は長尺であって、水槽17によって互いに接続されており、あるチャンバから次に向かう途中に膜が水槽を通過する。
図3のチャンバとは対照的に、洗浄水吸入口16’は加圧チャンバの上部に垂直にではなく、むしろチャンバ1’の片側に水平に、中空繊維膜の紡出方向に対して直角に位置している。さらに、各チャンバ1’は、洗浄水の温度を調整するための熱交換器18に接続されており、圧力計Mおよび温度センサ用のコネクタ9を備えている。
【0018】
図5は、加圧洗浄チャンバの第三構成の模式図を示す。チャンバ1’’は長尺であって、膜が1つのチャンバから次のチャンバへの途中で通過する、たとえば水槽17’などの分離部によって、互いに接続されている。
図4のチャンバと同様に、洗浄水吸入口16’’はチャンバ1’’の片側に水平に、中空繊維膜の紡出方向に対して直角に位置している。図中、チャンバの内部、および膜が通るチャンバの吸入口および排出口のスリット隔膜をそれぞれ表示するために、第一加圧洗浄チャンバのカバーは取り除かれている。各チャンバは圧力計Mを備えている。
【0019】
一実施形態において、保持距離、すなわち少なくとも1つの加圧洗浄チャンバにおいて膜が被覆する距離は1から100cmの範囲、たとえば3から10cm、または20から40cm、または50から80cmの範囲である。
【0020】
一実施形態において、少なくとも1つの加圧洗浄チャンバ内の中空繊維膜の滞留時間は0.1から10秒の範囲、たとえば0.3から4秒の範囲である。
【0021】
一実施形態において、洗浄流体のゲージ圧は0.05から4バールの範囲、たとえば1.1から2.5バール、または0.1から0.9バールの範囲である。
【0022】
一実施形態において、少なくとも1つの加圧洗浄チャンバは向流チャンバであり、すなわち流体は膜の排出口から吸入口に向かって誘導される。
【0023】
一実施形態において、中空繊維膜は2つ以上の加圧洗浄チャンバを通るように案内され、各加圧洗浄チャンバ内の洗浄液の圧力は同じであるかまたは異なる。たとえば、1つの加圧洗浄チャンバ内では過剰圧力が印加され、第二加圧チャンバでは低圧力が印加される。
【0024】
一実施形態において、第一および第二加圧洗浄チャンバの間の距離は1から20cmであり、たとえば10から15cmである。
【0025】
一実施形態において、洗浄液を収容する少なくとも1つの洗浄槽が、2つの加圧洗浄チャンバの間に位置している。
【0026】
さらなる実施形態において、加圧洗浄チャンバは、膜内への洗浄流体の対流輸送を支援するために超音波装置と組み合わせられる。
【0027】
一実施形態において、超音波装置はソノトロードを含む。
【0028】
一実施形態において、超音波装置の周波数は10kHzから3MHzの範囲、たとえば20から80kHzの範囲である。
【0029】
一実施形態において、ソノトロードの振動振幅は10から150μmの範囲である。
【0030】
一実施形態において、超音波装置の出力は200から1000Wの範囲、たとえば250から500Wの範囲である。
【0031】
一実施形態において、超音波装置のソノトロードから中空繊維膜までの距離は1から15mmの範囲、たとえば2から9mmの範囲である。
【0032】
図6は、加圧洗浄チャンバを超音波と組み合わせる装置を示す。2つの平坦な長方形の加圧洗浄チャンバ1’’’は、互いに隣り合って位置している。各チャンバは、圧力計Mおよび温度センサ用のコネクタ9を備えている。紡出方向に、第一チャンバ1’’’はソノトロード19を含む超音波装置を含んでいる。ソノトロード19は、チャンバ1’’’のそれぞれの上部に実装されており、加圧洗浄チャンバ内に向かって延在している。効率を提供するために、ソノトロードは中空繊維膜から近距離に位置している。
【0033】
プロセスの別の実施形態において、膜を圧力洗浄するために、少なくとも1つのフラットジェットノズルが使用される。
【0034】
一実施形態において、フラットジェットノズルは0.1から4 l/分の範囲、たとえば0.3から1 l/分、または2から3 l/分の範囲の出力を有する。
【0035】
一実施形態において、膜に噴霧される流体の圧力は1から7バールの範囲、たとえば1から3バールの範囲である。
【0036】
一実施形態において、流体は、ゴデット上にある間に膜上に噴霧される。
【0037】
一実施形態において、フラットジェットノズルの噴霧角度は20から90°の範囲、たとえば30°から60°の範囲である。
【0038】
一実施形態において、少なくとも1つのフラットジェットノズルから膜までの距離は5から40mmの範囲、たとえば10から30mmの範囲である。
【0039】
プロセスのさらに別の実施形態において、中空繊維膜は、膜の壁に流体を強制的に通すために、機械的に圧縮される。
【0040】
本発明の一実施形態において、中空繊維膜は、膜の外径よりも小さい溝を担持するローラの上を案内される。したがって、中空繊維膜の圧縮は、溝幅に依存する。たとえば、315μmの外径を有する中空繊維膜が200μm幅の溝を有するローラの上を案内されて、115μmの機械的圧縮を受ける。
【0041】
本発明の一実施形態において、ローラの溝幅は0から300μmの範囲、たとえば50から200μmの範囲である。
【0042】
本発明の一実施形態において、中空繊維膜は、機械的圧縮の間に水ですすがれる。
【0043】
図7は、本発明の一実施形態による絞り/挟み装置20を示す。装置20は、支持ローラ21によって回転するゴデット(図示せず)上に配置されるように設計されているので、弓形になっている。中空繊維膜は、支持ローラの下、ならびに膜の外径よりも小さい溝を担持するローラ22の下を案内され、こうして膜の機械的圧縮を発生させる。異なる溝を備えるローラが挟み装置20上に容易に実装され得るように、ローラ22は交換可能である。加えて、膜は機械的圧縮の間に、たとえば水などの流体ストリームによって洗浄される。
【0044】
プロセスのさらに別の実施形態において、膜壁を通じて洗浄液を吸引するために、中空繊維に圧力勾配が印加される。
【0045】
本発明の一実施形態において、中空繊維膜は、半径方向スロットを有するローラの上を案内される。スロットは、中空繊維膜の外径よりも小さい幅である。ローラは、スロットへのアクセスを有する中央チャンバをさらに担持する。中央チャンバおよびスロットに低圧力が印加されると、中空繊維膜はスロット内に吸い込まれる。そこで中空繊維上に水が注がれると、真空が外側から繊維を通じて中央チャンバ内に水を吸い込み、繊維をすすぐ水流を発生させる。
【0046】
本発明の一実施形態において、圧力は0.2から1バールの範囲、たとえば0.4から0.8バールの範囲である。
【0047】
上述の特徴および以下に記載される特徴が、指定された組み合わせのみならず、本発明の範囲を逸脱することなくその他の組み合わせまたはそのままでも使用され得ることは、理解されるだろう。
【0048】
ここで本発明は、以下の実施例においてより詳細に記載される。実施例は本発明の範囲を限定するように意図されるものではなく、本発明の好適な実施形態の単なる説明であることは、理解されるべきである。
【0049】
実施例
i)中空繊維膜の遊離PVPおよびNMPの判定
中空繊維膜中の遊離PVPおよびNMPの量を判定するために、141本の繊維の束が糸車から切断され、遊離PVPおよびNMPは以下のように抽出された。繊維の束は、200mLの水に浸漬されて、20時間にわたって60℃に保たれた。その後、水中のPVPおよびNMPの濃度が判定された。PVPは分光光度法によってヨウ素複合体として判定された。NMPは、固定相としてRP−18カラムおよび溶離液としてアセトニトリル30重量%と水70重量%の混合物を用いる逆相高性能液体クロマトグラフィ(RP−HPLC)によって判定された。NMPの光度検出は210nmであった。
【0050】
ii)ハンドバンドルの調製
性能試験のための膜束を調製するために、150本の中空繊維の束が23cmの所定長に切断される。繊維の末端は溶融によって閉じられている。光学制御によって、全ての繊維が十分に溶融していることを保証する。次に、繊維束の末端がポッティングキャップ内に移される。ポッティングキャップは機械的に固定され、ポッティングチューブがポッティングキャップの上に配置される。次に繊維がポリウレタンでポッティングされる。ポリウレタンが硬化した後、ポッティングされた膜束が切断されて繊維を開放し、異なる性能試験で使用される前に乾燥状態で保存される。
【0051】
iii)ハンドバンドルの透水率(Lp)
膜束の透水率は、片側で封止された膜束を通じて所定量の圧力下の水に加圧すること、ならびに必要とされる時間を測定することによって、判定される。透水率は、判定された時間、有効膜表面積、印加された圧力、および膜を通じて加圧された水の量から計算されることが可能である。繊維の数、繊維長さ、および繊維の内径から、有効膜表面積が計算される。膜束は、Lp試験が実行される前に30分間濡らされなければならない。この目的のため、膜束は500mlの超純水を収容する箱に入れられる。30分後、膜束は試験システム内に移される。試験システムは、37℃に保たれている水槽と、膜束が実装されることが可能な装置からなる。水槽の充填高さは、膜束が指定された装置内の水面より下に位置させられることを保証しなければならない。誤った試験結果をもたらす膜の漏れを回避するために、膜束と試験システムとの完全性試験が、事前に実行されなければならない。完全性試験は、束の片側で閉じられた膜束を通じて空気を加圧することによって、実行される。気泡は、膜束または試験装置の漏れを示す。漏れが試験装置内の膜束の不適切な実装によるものか否か、または本当の膜漏れが存在するか否かが確認されなければならない。膜の漏れが検出された場合には、膜束は廃棄されなければならない。完全性試験において印加される圧力は、印加された圧力が高すぎるために透水率の測定中に漏れが起こり得ないことを保証するために、透水率の判定中に印加される圧力と少なくとも同じ値でなければならない。
【0052】
出発物質
・PAES:ポリエーテルスルホンUltrason(R)E 6020P,BASF S.E.
・PVP K30:ポリビニルピロリドンLuvitec(R)K30,BASF S.E.;Mn=14kDa,Mw=50kDa
・PVP K85:ポリビニルピロリドンLuvitec(R)K85,BASF S.E.;Mn=250kDa;Mw=1,100kDa
・PA:ポリアミドTrogamid(R)T5000(Evonik Degussa GmbH,45764 Marl)
・フラットジェットノズル650,Dusen−Schlick GmbH,96253 Untersiemau
・超音波ソノトロードUIP1000hd,Hielscher Ultrasonics GmbH,14513 Teltow.
【0053】
実施例1aおよび1b
ハイフラックス膜は、溶媒相反転紡糸プロセスによって調製された。ポリマー溶液を形成するために、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、およびPVP K30/K85(表1参照)が水/NMP溶媒中に溶解された。ポリマー溶液はその後、2つの同心開口を備えるノズルの外輪スリットを通じて押し出され、その一方で中心流体はノズルの内側開口を通じて押し出された。最後に、得られた膜が洗浄された。表1は、関連するプロセスパラメータをまとめたものである。
【0055】
その後、未消毒および消毒済みハンドバンドル(hb)で透水率が試験された。結果を表2に示す。
【0057】
実施例2〜13
最大量のPVPおよびNMPを除去するのに最良の条件を判定するために、45m/分の紡出速度で形成された実施例1bの中空繊維膜が異なる条件下で洗浄された。
【0058】
参考として、膜はそれぞれ1つ、2つ、または3つの洗浄槽(wb)で洗浄された。洗浄槽内の膜によって被覆された距離は、10mであった。次に1つから3つの加圧洗浄チャンバ(pc)を使用して、洗浄プロセスが延長された。洗浄条件は、表3にまとめられている。
【0059】
加圧洗浄チャンバは
図2に示されている。これらは円形の底部および円形の上部(図示せず)を含む。上部は、底部と上部との境界に沿って設けられた接続手段によって底部に接続されており、流れ方向に対して直角な加圧流体用の少なくとも1つの吸入口を担持する。膜が加圧チャンバに出入りできるようにするために、底部の境界には、底部の境界の内側から外側まで延在する2つの対向するスロットが設けられている。スロットは、それぞれ膜の吸入口および排出口として使用される。実験で使用されるチャンバにおいて、スロットは、0.5mmのチャンバの内側と外側とを接続する軸に対して直角の幅を有していた。さらに、チャンバは12.5cmの内径を有していた。2つから3つの加圧チャンバが使用されたとき、1つのチャンバの排出口と第二チャンバの吸入口との間の距離は15cmであった。
【0060】
加圧チャンバは、85℃±5℃の温度の水を所望の圧力で洗浄チャンバ内に圧送する歯車ポンプ(Verdergear VG1000,Verder Deutschland GmbH,42781 Haan,ドイツ)に接続された。
【0062】
得られた膜はその後、遊離PVPの含有量について分析された。結果は表4にまとめられている。
【0064】
実施例14〜19
最大量のPVPおよびNMPを除去するのに最良の条件を判定するために、20m/分の紡出速度で形成された実施例1aの中空繊維膜が異なる条件下で洗浄された。
【0065】
参考として、膜はそれぞれ1つ、2つ、または3つの洗浄槽(wb)で洗浄された。次に1つから3つの加圧洗浄チャンバ(pc)を使用して、洗浄プロセスが延長された。洗浄条件は、表5にまとめられている。実施例2から13と同じ加圧チャンバが使用された。
【0067】
得られた膜はその後、遊離PVPの含有量について分析された。結果は表6にまとめられている。
【0069】
実施例20〜35
最大量のPVPおよびNMPを除去するのに最良の条件を判定するために、45m/分の紡出速度で形成された実施例1bの中空繊維膜が異なる条件下で洗浄された。洗浄条件は、表7にまとめられている。
【0070】
実施例2から19で使用されたものと類似の加圧洗浄チャンバが採用された。チャンバは長方形であって、膜が1つのチャンバから次のチャンバへの途中で通過する水槽によって互いに接続された。違いとしては、洗浄水吸入口が、加圧チャンバの上部に垂直にではなく、チャンバの片側に水平に、中空繊維膜の紡出方向に対して直角に位置させられていた(
図4)。洗浄水は、加圧洗浄チャンバに接続された熱交換器によって90℃まで加熱された。
【0071】
得られた膜はその後、遊離PVPの含有量について分析された。結果は表8にまとめられている。
【0074】
実施例36〜53
実施例20〜35のような加圧洗浄チャンバを用いたさらなる実験が、45m/分の紡出速度で形成された実施例1bの中空繊維膜を用いて実行された。過剰圧力の代わりに、低圧力または低圧力と過剰圧力との組み合わせが印加された。洗浄条件および膜中の遊離PVPの含有量は、表9にまとめられている。
【0076】
実施例54〜59
45m/分で紡出された実施例1bの中空繊維膜は3つの洗浄槽を通じて誘導されたが、各洗浄槽は、次の洗浄槽に進む前に膜が引き回されるゴデットを含んでいる。
【0077】
中空繊維膜のすすぎプロセスを強化するために、最後の洗浄槽のゴデットの周りに絡められた膜を圧力洗浄するためのフラットジェットノズルが使用された。
【0078】
2つの異なるノズルが使用された。1つめは、2.5 l/分の出力および60°の噴霧角度を有し(タイプ1)、2つ目は0.6 l/分の出力および30°の噴霧角度を有していた(タイプ2)。フラットジェットノズルは歯車ポンプ(Ismatec BVP−Z,IDEX Health&Science GmbH,97877 Wertheim−Mondfeld,ドイツ)と組み合わせられ、第一ノズルで2バール、第二ノズルで3バールの最大水圧を生じた。洗浄条件および結果は、表10にまとめられている。
【0080】
実施例60〜63
さらなる実験において、加圧洗浄チャンバと超音波の組み合わせが適用された。この目的のため、第一加圧洗浄チャンバは超音波装置をチャンバの上に垂直に実装することによって改造され、第二加圧洗浄チャンバは改造されなかった(
図6)。ソノトロードは1000Wの出力、20kHzの周波数、および25μmの振動振幅を有していた。出力は50%から100%の間で変動可能である。振動振幅は、1.8または0.56の係数を有するブースタによって変動可能である。実験条件および結果は、表11にまとめられている。
【0082】
実施例64〜73
さらなる実験において、実施例1の中空繊維膜は、流体を膜の壁に強制的に通すために、機械的に圧縮された。中空繊維膜は挟み装置、すなわち膜の外径よりも小さい溝を担持するローラの上を案内された(
図7)。ローラは、異なる溝幅を有するローラと交換可能であった。したがって、中空繊維膜の圧縮は、溝幅に依存していた。315μmの外径を有する実施例1の中空繊維膜は、たとえば、200μm幅の溝を有するローラの上を案内されたときに115μmの機械的圧縮を受けた。同時に、中空繊維膜は、低圧の水の噴出ですすがれた。実験条件および結果は、表12にまとめられている。