DE4315718B4

DE4315718B4 - Auf Unversehrtheit testbare Naß-Trocken-reversible Ultrafiltrationsmembranen und Verfahren zu ihrem Testen

Info

Publication number: DE4315718B4
Application number: DE4315718A
Authority: DE
Inventors: Peter J. Degen; John Mischenko Iii; Robert E. Sumner Kesting; Moira H. Bilich; Trevor A. Staff
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1992-05-13
Filing date: 1993-05-11
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2013-05-12
Also published as: GB2266851B; CN1050768C; US5685991A; SE9301492L; CA2077490A1; IT1260658B; FR2691077A1; ITTO930280A0; CN1078661A; SE511394C2; SE9301492D0; FR2691077B1; CA2077490C; JP2747194B2; ITTO930280A1; GB9308385D0; TW272139B; GB2266851A; DE4315718A1; US5480554A

Abstract

Ultrafiltrations/Diafiltrations-Membran mit einer Porenstruktur, die, wenn sie gegen monodisperse Latexpartikel mit 0,02 μm Durchmesser gemessen wird, diese Partikel ausschließt, und die in der Lage ist, ohne Verlust von solchen Ultrafiltrationseigenschaften getrocknet zu werden, und die, nachdem sie mindestens einmal einen Naß/Trocken-Zyklus unterworfen worden ist, einen K_UF von 10 psi hat, indem 1-Butanol gesättigt mit Wasser als die benetzende Flüssigkeit und Wasser gesättigt mit 1-Butanol als die Verdrängungsflüssigkeit bei Umgebungstemperatur verwendet werden, und zwar bei einer Strömungsrate unter 50 cm³/min pro Quadratfuß/Membranfläche, wobei die Membran ein Polymer aufweist, welches aus der Gruppe bestehend aus Polysulfon, Polyethersulfon und Polyphenylsulfon ausgewählt wird.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Filtrationsmembranen im allgemeinen und insbesondere auf das Gebiet von ultraporösen Membranen, insbesondere Ultrafiltrations- und Diafiltrationsmembranen.
Ultrafiltration (UF) und Diafiltration (DF) sind druckgetriebene Membran-Trennprozesse, die verwendet werden, um Makromoleküle wie z. B. Proteine aus Lösungen zu trennen (durch einen Siebmechanismus), die Lösungsmittel und gelöste Stoffe mit niedrigem Molekulargewicht enthalten. Ultrafiltrations- und Diafiltrationsprozesse sind ähnlich, und für beide werden identische Membranen verwendet. Für UF wird kein zusätzliches Lösungsmittel (Wasser), während Filtration im Gang ist, der Lösung zugegeben, die gefiltert wird; bei DF wird ein zusätzliches Lösungsmittel während der Filtration zugegeben. Wenn eine Lösung Makromoleküle von ausreichend großen Größenunterschieden enthält, dann kann (UF) oder (DF) auch verwendet werden, um diese Makromoleküle zu fraktionieren.
Das Filtrationsregime, das UF oder DF aufweist, liegt in dem Spektrum von druckgetriebenen Membran-Trennprozessen zwischen Hyperfiltration (HF), auch als Umkehrosmose bekannt, auf ihrer feinporigen Seite und Mikrofiltration (MF) auf ihrer grobporigen Seite. Das UF-Regime deckt den Porendurchmesserbereich zwischen 0,001 und 0,02 μm (10–200 Å). Ultrafiltration wird auch mit der Molekulargewicht-Abtrennfähigkeit (MWCO molecular weight cutoff) seiner Membranen beschrieben. Sie besteht aus Membranen mit MWCO zwischen etwa 500 und mehreren Millionen.
Asymmetrische, integral mit einer Haut versehene UF-Membranen werden durch einen verallgemeinernden Prozeß hergestellt, der als Phaseninversion bekannt ist, indem eine Mehrkomponentenpolymerlösung (Sol), die (gewöhnlich) aus drei Komponenten: Polymer, Lösungsmittel und Porenbildner (Nichtlösungsmittel, Quellmittel oder schwaches Lösungsmittel) besteht, vor der Koagulation in ein Festmembrangel zum Trennen in zwei zwischendispergierte Flüssigphasen eingeführt wird. Um die Trennung in zwei zwischendispergierte Flüssigphasen zu bewirken, wird die Polymer-Mischbarkeit in dem Lösungsbindemittel durch eine dieser Methoden herabgesetzt:

1. Lösungsmittelverdampfung (Trockenprozeß);
2. Austausch des Lösungsmittels gegen Nichtlösungsmittel (Naßprozeß); und
3. Absenken der Lösungstemperatur (thermischer Prozeß).

Zwei allgemeine Strukturarten asymmetrischer, integral mit einer Haut versehene Phaseninversions-UF-Membranen sind im Stand der Technik bekannt. Stellvertretend für die erste ist die US-PS-3,615,024 , wie die ursprüngliche und noch am meisten angetroffene Art einer Ultrafiltrationsmembran ist, die wesentlich aus einer Doppelschicht mit einer dünnen Haut, die darstellt, was als schlitzartige Spalten oder Risse bezeichnet worden ist, und einer dicken Substruktur besteht, die eine hohe Konzentration fingerartiger Intrusionen oder Makroporen enthält. Die Makroporen erstrecken sich oft von einer Oberfläche zu der anderen, obwohl sie manchmal tiefer innerhalb der Matrix eingebettet sind. Idealerweise deckt eine integrale Haut die Makroporen, aber in der Praxis wird etwas von der Haut über den Makroporen zerrissen, wodurch die Unversehrtheit der Haut gebrochen wird und der Durchgang großer Teilchen auftreten kann. Diese Membranen werden mit einer Porenträgerflüssigkeit benetzt geliefert, da sie keine vollständige Trockenheit ohne starken Verlust der Filtrationsleistungsfähigkeit tolerieren können. Bakteriostatika, die vor Gebrauch aus der Membran herausgewaschen werden müssen, sind in Membranen, die naß geliefert werden, oft vorhanden. Einige Hersteller geben in ihren Katalogen an, daß eine Membran "trocken" geliefert wird, diese Membranen können Benetzungsmittel wie z. B. Glycerin als eine Porenträgerflüssigkeit enthalten. So wie bei Bakteriostatika müssen Benetzungsmittel aus der Membran durch Wässern, Spülen oder durch ein anderes Verfahren entfernt werden, wodurch die Membran niemals vollständig getrocknet werden kann.
Stellvertretend für den zweiten allgemeinen Typ der Ultrafiltrationsmem bran ist der, der gemäß der US-PS-4,954,381 und 4,451,424 erhalten wird, die vorgegebenermaßen integral mit einer Haut versehene UF-Membranen mit makroporenfreien Matrizen liefern, und zwar durch Vergrößern der Viskosität der Gießlösung durch das Zugeben von wasserlöslichen viskositätserhöhenden polymeren Additiven wie z. B. Polyvinylpyrrolidon (PVP) oder Polyethylenglycol (PEG). Diese Membranen stellen eine Haut mit einer Porengrößenverteilung dar, die zu breit ist, um auf Unversehrtheit getestet zu werden wegen des Herauslösen der polymeren Additive während der Ausfäll- und Waschschritte sowie während ihres Gebrauches in dem UF-Prozeß. Diese Membranen können "trocken" geliefert werden (d. h. kein freies Fluid vorhanden), aber sie enthalten hohe Konzentrationen von Rückstands-PVP oder -PEG. Benetzungsmittel wie z. B. Glycerin, PVP, PEG und/oder Wasser und andere Benetzungsflüssigkeiten können als Weichmacher wirken, um eine Bröckligkeit zu verringern. Diese Materialien können auch als Porenträgerflüssigkeiten wirken, die, falls entfernt, zu Rissen und anderen Defekten in der Membranhaut führen.
Zusätzlich vergrößert sich die Porengröße mit dem Molekulargewicht (MW) des extrahierbaren Additivs, was seinerseits auf die Breite der Porengrößenverteilung dieser Membranen bezogen ist.
Obwohl breit angewendet, wird anerkannt, daß Ultrafiltrationsmembranen an einigen ernsthaften Nachteilen leiden. Zum Beispiel enthalten nahezu alle Ultrafiltration/Diafiltrationsmembranen ein Benetzungsmittel wie z. B. Glycerin oder müssen in einem benetzten Zustand zu allen Zeiten gehalten werden einschließlich während des Versandes, weil die Filtrationseigenschaften der Membranen instabil aufgrund des Vorhandenseins von Defekten sind. Wenn einmal das Benetzungsmittel oder eine andere Trägerflüssigkeit entfernt ist und die Membran getrocknet und erneut benetzt ist, wird die Leistungsfähigkeit geändert, und die Membranhaut reißt, und die Membran wird unbrauchbar. Das heißt, daß als ein praktischer Fall alle Ultrafiltration-/Diafiltrations-Membranen zusammen mit einer großen Menge Benetzungsflüssigkeit, gewöhnlich Wasser, versandt werden, was die Versandkosten erhöht. Des weiteren ist die Forderung, daß die Membran in einem benetzten Zustand zu halten ist, eine wesentliche Last für den Anwender, der sicherstellen muß, daß die Membran niemals trocken wird. Die Tatsache, daß die Membranen ständig in einem benetzten Zustand gehalten werden, bedeutet auch, daß das Risiko bakteriellen Wachstums vorhanden ist, was dann erfordert, daß ein Bakteriostatikum oder ähnliches in der benetzten Membran vorhanden ist. Unglücklicherweise führt das Vorhandensein eines Bakteriostatikum auch das Problem der Kontamination des Produktstromes durch die Membran ein, denn, wenn solch eine Substanz einmal vorhanden ist, ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, sie zu entfernen.
Im Fall von Membranen, die ein Benetzungsmittel wie z. B. Glycerin enthalten, muß die Membran in verschiedenen Wechseln von Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gewässert werden, um so viel wie möglich von dem Fremdmaterial zu entfernen. Dann, wenn einmal die Porenstruktur mit dem Lösungsmittel getragen ist, darf die Probe niemals austrocknen.
Ein weiteres signifikantes Problem mit allen gegenwärtig verfügbaren Ultrafiltration-/Diafiltrations-Membranen ist das Vorhandensein von signifikanten Defekten in der Membran. Solche Defekte schließen Makroporen, Risse, Nadelstiche und andere Defekte und Imperfektionen ein, die entweder die Hautschicht brechen oder zum Ausfall der Membran führen. Das Vorhandensein solcher Defekte bedeutet jedoch, daß, obwohl eine gegebene Membran nach einer Entfernungsleistungsfähigkeit eingeteilt werden kann, die z. B. anzeigen würde, daß die Membran in der Lage ist, Materialien von moderatem Molekulargewicht (zwischen 1.000 bis 500.000) aus einer Flüssigkeit zu entfernen, das Vorhandensein der Defekte einen gegebenen Anteil der Substanzen es erlaubt, durch die Membran hindurchzugehen, was natürlich sehr unerwünscht ist. Von sogar relativ großen Teilchen wie z. B. Latexkugeln ist bekannt, daß sie durch UF-Membrandefekte hindurchtreten.
Molekulargewicht-Abtrennung ist ein Ausdruck der Retentionscharakteristik einer Membran im Hinblick auf Moleküle bekannter Größen. Retention wird gewöhnlich angegeben als die Molekulargewicht-Abtrennung, bei der wenigstens 90% von sphärischen ungeladenen Molekülen dieses selben Molekulargewichts durch die poröse Membran zurückgehalten werden, während weniger als ungefähr 50% solcher Moleküle von deutlich niedrigerem Molekulargewicht zurückgehalten werden. Jedoch lineare Moleküle mit Molekulargewichten größer als die Molekularge wicht-Abtrennung können durch die Membran hindurchgehen, weil der effektive Durchmesser eines linearen Moleküls kleiner ist als der eines sphärischen Moleküls. Lineare Moleküle können sich einer Membranpore "Ende auf Pore" annähern und sich selbst durch die Pore schrauben. Das kann auftreten, wenn ein langkettiges lineares Molekül mit den laminaren Strömungslinien eines durch die Membran durchgehenden Fluids ausgerichtet wird. Andererseits können geladene Moleküle kleiner als die Molekulargewicht-Abtrennung nicht durch die Membran hindurchtreten infolge elektrostatischer Wechselwirkungen mit der Membran. Bei Ultrafiltrationsmembranen reicht die Molekulargewicht-Abtrennung von etwa 500 oder 1.000 bis zu einigen Millionen entsprechend Porengrößen von 10 bis 200 Å.
Obwohl eine begrenzte Anzahl von Ultrafiltrationsmembranen kürzlich in Form von Hohlfasern mit angegebenen Nominalmolekulargewichts-Abtrenn-Werten im Bereich von 1.000 bis zu mehreren Millionen eingeführt worden sind, wobei derartige Membranen in trockenem Zustand versandt werden können, leiden solche Membranen noch an dem sehr signifikanten Problem, Defekte in ihrer Struktur zu haben, was sie nur einen begrenzten Wert erreichen läßt.
Wegen der breiten und großen Anzahl von Anwendungen für Ultrafiltrationsmembranen ist ein beträchtlicher Aufwand aufgebracht worden, die Effektivität solcher Membranen zu erhöhen, jedoch bis jetzt mit begrenztem Erfolg. Viele Patente und Artikel sind bezüglich der Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen veröffentlicht worden, wobei einige beanspruchen, daß sie "defektfrei" seien, und andere beanspruchen, daß sie trockenbar sind, aber die Tatsache bleibt, daß keine Ultrafiltrationsmembran bis jetzt hergestellt worden ist, die sowohl trockenbar als auch frei von Defekten ist.
Heutige Ultrafiltrationsmembranen arbeiten auf einer statistischen Basis, d. h. da nur ein kleiner Anteil von Flüssigkeit, die gefiltert wird, durch Defekte in der Membran durchtritt und da nur ein Teil der gesamten Flüssigkeit, die gefiltert wird, das zu entfernende Material enthält, besteht die Wahrscheinlichkeit, daß nur eine kleine Menge des zu entfernenden Materials durch die Membran gelangen wird. Wenn jedoch das Material, das gefiltert wird, z. B. eine pharmazeutische Zusammensetzung ist und das zu entfernende Material ein Bakterium ist und Bakterien durch die Membran gelangen, wird sich der Patient, der durch Verwenden des kontaminierten Produktes krank wird, wenig um Wahrscheinlichkeiten kümmern.
Einmal mehr ist das Problem bei Ultrafiltrationsmembranen, die gemäß irgendeinem der Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurden, daß sie nicht getrocknet werden können ohne ein Benetzungsmittel, das die Porenstruktur trägt, und/oder daß sie nicht frei von verschiedenen zuvor beschriebenen Defekten sind, was sie nur einen begrenzten Wert haben läßt.
Des weiteren ist, wie bei vielen Verfahren zum Herstellen von Membranen, eine absolute Vorhersagbarkeit der Leistungsfähigkeit und der Qualität des Fertigproduktes nicht möglich, somit wird ein Verfahren zum Testen der Unversehrtheit des Fertigmembranproduktes benötigt. Unglücklicherweise gibt es gegenwärtig keine brauchbare Art, die Unversehrtheit einer Ultrafiltrationsmembran zu testen, und gewiß keine schnelle Art, dieses zu tun. Bezüglich der Mikrofiltrationsmembranen und anderer Typen poröser Filtermedien sind die Tests, die als die "Blasenpunkt"-(ASTM F316-86)- und die K_L(Patent Nr. 4,340,479)-Methoden bekannt sind, seit vielen Jahren angewendet worden, um die Porösität solcher Strukturen zu charakterisieren. Jedoch kann infolge der extrem kleinen Porengrößen, die bei Ultrafiltrationsmembranen angetroffen werden, weder der K_L- noch der "Blasenpunkt" Test erfolgreich angewendet werden. Wenn die Porengröße einer Membran sinkt, steigt der Druck, der benötigt wird, um einen "Blasenpunkt"- oder K_L-Test auszuführen. Bei einer Ultrafiltrationsmembran würden solche Testdrücke die Membran zerdrücken oder anderweitig beschädigen.
In dem Fall von Ultrafiltrationsmembranen allgemein gibt es beträchtliche Schwierigkeiten, Poren und Porengrößen direkt zu beobachten und zu messen wie z. B. durch ein Scan-Elektronenmikroskop. Es ist zum Stand der Technik geworden, Molekulargewicht-Abtrennwerte, wie oben diskutiert, als eine Indizien- und indirekte Methode zur Bestimmung von Porengrößen anzuwenden. Als ein allgemeiner Vorschlag ist der funktionale Durchmesser von Poren etwa gleich der kubischen Wurzel des Molekulargewichtes des größten im allgemeinen sphärischen, globularen Moleküls, das frei von elektrischer Ladung ist, das durch die Membran gelangen kann, während durch Übereinkunft die Größe des kleinsten solchen Moleküls, das zu dem benötigten Grad von 90 Prozent zurückgehalten wird, die Molekulargewicht-Abtrennung darstellt. Diese Bestimmungen sind dem allgemeinen Fachmann gut bekannt. Es ist jedoch klar, daß solch ein Test nur Näherungen der wahren Porosität irgendeiner gegebenen Ultrafiltrationsstruktur liefert und des weiteren es kein Test ist, der schnell ausgeführt werden kann. Die Messung einer Molekulargewicht-Abtrennung ist auch mit Komplikationen verbunden wie z. B. die Adsorption der Testsubstanz auf den Membranoberflächen, was vom Verstopfen der Probe während des Tests begleitet ist. Ein typischer Molekulargewicht-Abtrenntest könnte Stunden oder sogar Tage benötigen, um beendet zu werden. Anstelle Membranen mit einigen Standardtestparametern wie z. B. K_L oder Porengröße zu charakterisieren, werden weite Bereiche von Molekulargewicht-Abtrennung im allgemeinen in . Produktkatalogen und in der technischen Literatur angegeben.
Weil ein zuverlässiger schneller Test zum Bewerten der Unversehrtheit, der Molekulargewicht-Abtrennung und Porengrößenwerte von Ultrafiltrationsmembranen eine absolute Notwendigkeit für die zuverlässige, konsequente Herstellung von UF/DF-Membranen ist, existiert ein großes Bedürfnis nach solch einem Test.
Die vorliegende Erfindung stellt zum ersten Mal Ultrafiltrationsmembranen bereit, die ohne Verlust solcher Ultrafiltrationseigenschaften getrocknet werden können.
Solche Membranen können selektiv gefertigt werden, um irgendwelche besondere Molekulargewicht-Abtrennwerte zu haben, und zwar von etwa 1.000 Dalton bis etwa 500.000 Dalton. Außerdem sind Membranen mit einer bezeichneten Molekulargewicht-Abtrennung von ≤ 20.000 in der Lage, monodisperse Latexpartikel von 0,02 μm Durchmesser auszuschließen bei Rückhaltekoeffizienten von > 0,998. Membranen mit einer bezeichneten Molekularabtrennung von ≤ 100.000 sind in der Lage, monodisperse Latexpartikel von 40 nm Durchmesser auszuschliessen bei Rückhaltekoeffizienten von > 0,998. Membranen mit einer bezeichneten Molekularabtrennung von ≤ 500.000 sind in der Lage, monodisperse Latexpartikel mit 0,1 μm Durchmesser auszuschließen bei Rückhaltekoeffizienten von > 0,998. Die Membranen der vorliegenden Erfindung werden im allgemeinen eine Porengröße von etwa 200 Å bis hinunter zu etwa 10 Å haben. Membranen von besonderem Interesse können aus Polyethersulfon, Polysulfon oder Polyarylsulfon, modifiziert oder unmodifiziert, bestehen.
Es wird auch ein Prozeß bereitgestellt zum Filtern eines Fluids, der ein Veranlassen umfaßt, daß das Fluid durch solch eine Filtrationsmembran fließt. Solch ein Prozeß kann die Filtration von Fluiden beinhalten, z. B. Proteine zu entfernen, wenn die Membran eine Molekulargewicht Abtrennung von etwa 1.000 bis etwa 30.000 Dalton hat. Die Filtration von Fluiden, um selektiv Proteine oder Viren zu entfernen, wie z. B. aus Blut oder Blutserum, ist auch möglich, nämlich dann, wenn die Membran ein Molekulargewicht-Abtrennung von etwa 500.000 Dalton hat.
Ein neues, schnelles, zuverlässiges Verfahren zum Bestimmen der Molekulargewicht-Abtrennung und Porengrößenwerte von UF/DF-Membranen ist auch entwickelt worden. Der Test hat eine besondere Anwendbarkeit auf Ultrafiltration- und/oder Diafiltration-Membranen, obwohl er auch zum Testen von Mikrofiltrationsmembranen verwendet werden kann. Gemäß dem Verfahren, das als das K_UF-Verfahren bezeichnet wird, wird die zu testende Membran zuerst gründlich mit einer Benetzungsflüssigkeit benetzt, die in der Lage ist, die Membran vollständig zu benetzen; eine Verdrängungsflüssigkeit, die mit der Flüssigkeit nicht mischbar ist, die verwendet wird, um die Membran zu benetzen, wird in Kontakt mit der Zustromseite der benetzten Membran angeordnet. Druck wird dann an die Verdrängungsflüssigkeit angelegt und der Druck über den Punkt, wo die Verdrängungsflüssigkeit beginnt, durch die Membran zu fließen, erhöht; und die Strömungsrate der Flüssigkeit, die durch die Membran gelangt, wird als eine Funktion des angelegten Druckes gemessen; wobei die Verdrängungsflüssigkeit im wesentlichen unlöslich in der benetzenden Flüssigkeit ist, und die Grenzflächenspannung zwischen den zwei Flüssigkeiten ist etwa 10,0 dyn/cm oder weniger. Ein Steuern der Grenzflächenspannung auf weniger als 10 dyn/cm erlaubt es, eine Fluidverdrängung bei viel niedrigeren Drücken zu erhalten als bei ähnlichen Tests, die normalerweise mit einer Wasser/Luft-Grenzschicht durchgeführt werden (d. h. K_L- oder Blasenpunkt-Messung).
Zusätzlich ist es wichtig, daß die Grenzflächenspannung zwischen den zwei Flüssigkeiten konstant während des Testvorganges bleibt. Ein Diagramm der Strömungsrate der Verdrängungsflüssigkeit pro Flächeneinheit der Membran durch die Membran als eine Funktion des angelegten Druckes kann hergestellt werden, und eine gerade Linie kann durch den steilen Teil der resultierenden Kurve unter Anwenden der Regressionsanalyse gezogen werden, die die horizontale Achse bei einem gegebenen Druckwert schneiden wird, der dann als der K_UF-Wert festgelegt wird. 12 ist eine Darstellung einer idealisierten K_UF-Kurve, in der der K_UF-Wert oder charakteristische Druck bestimmt worden ist. Die durchgezogene Linie stellt die Kurve dar, die durch das Auftragen der Strömungsrate über dem Druck erhalten wird, und die gepunktete Linie stellt die Extrapolation des steilen Teiles der Kurve zu der Druckachse dar. Der K_UF-Wert oder charakteristische Druck wird aus dem Graph an dem Punkt abgelesen, wo die gepunktete Linie die Druckachse schneidet, und ist ein Maß für die Molekulargewicht-Abtrennung der Membran.
Die Membranen der vorliegenden Erfindung können gekennzeichnet sein, einen K_UF-Wert von etwa 5 psi bis etwa 120 psi, vorzugsweise von etwa 10 psi bis 120 psi zu haben, bestimmt unter Verwendung von 1-Butanol, gesättigt mit Wasser als die Benetzungsflüssigkeit und Wasser gesättigt mit 1-Butanol als die Verdrängungsflüssigkeit. Die nicht-mischbaren Phasen sind gegenseitig gesättigt, um sicherzustellen, daß die Grenzflächenspannung zwischen den Flüssigkeiten sich nicht infolge Auflösung von einer Phase in der anderen ändert. Andere Faktoren wie z. B. Temperatur sollten auch relativ konstant bleiben während des Testvorganges, um so wesentliche Änderungen in der Grenzflächenspannung zwischen den nicht-mischbaren Flüssigkeiten zu vermeiden.
Ein Prozeß zur Herstellung einer Ultrafiltrationsmembran wird bereitgestellt. Das Verfahren weist auf ein Auflösen eines Polymerharzes in einem Träger, der sowohl ein Lösungsmittel für das Harz als auch ein Nichtlösungsmittel für das Harz aufweist, wobei das Harz in einer Menge von etwa 15 bis 20 Gewichts-Prozent vorhanden ist, und die Menge des Nichtlösungsmittels von etwa 26 bis etwa 34 Prozent der Lösung ist, ein schnelles Mischen der Lösung unter hohen Scherbedingungen, um das Vorhandensein von Gelpartikeln zu reduzieren oder zu eliminieren, ein Filtern der Lösung, um jegliche Gelpartikel, die vorhanden sind, zu entfernen, ein Entgasen der Lösung, um jegliches eingeschlossenes Gas zu entfernen, ein Gießen oder Spinning der Lösung auf einen Träger und ein Inverbindungbringen der resultierenden gegossenen oder schnellrotierten (spun) Lösung mit einem Absetzbad, das sowohl ein Lösungsmittel als auch ein Nichtlösungsmittel für das Harz aufweist, wobei das Verhältnis von Lösungsmittel zu Nichtlösungsmittel von etwa 1,5:1 bis etwa 2:1 ist.
Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung irgendeiner ultrafiltration- oder membranartigen Struktur wird auch bereitgestellt, wobei eine Anfangslösung, die einen polymeren aufgelösten Stoff, ein Lösungsmittel dafür, und wahlweise ein Nichtlösungsmittel, aufweist, gegossen oder extrudiert wird, und zwar unter einer ersten Gruppe von Prozeßbedingungen wahlweise auf oder in ein Absetzbad, das ein Nichtlösungsmittel für das Polymer und wahlweise ein Lösungsmittel dafür enthält, um eine gewünschte Membran zu formen, ein gründliches Benetzen eines Teils der zu testenden Membran mit einer Anfangsbenetzungsflüssigkeit, die die Membran vollständig benetzen kann, ein Anordnen der Verdrängungs flüssigkeit, die nicht mischbar mit der benetzenden Flüssigkeit ist, in Kontakt mit der Zuströmseite der benetzten Membran, ein Anlegen eines steigenden Druckes an die Verdrängungsflüssigkeit und ein Messen der Strömung der Verdrängungsflüssigkeit, die durch die Membran hindurchgeht als eine Funktion des angelegten Druckes, wobei die Verdrängungsflüssigkeit im wesentlichen unlöslich in der benetzenden Flüssigkeit ist, und die Grenzflächenspannung zwischen der benetzenden Flüssigkeit und der Verdrängungsflüssigkeit etwa 10,0 dyn/cm oder weniger ist und ein Einstellen einer oder mehrere der folgenden Prozeßvariablen:

(1) Die Zusammensetzung der Anfangslösung,
(2) die Zusammensetzung des Absetzbades, und
(3) die Rate, mit der das Gießharz gemischt wird,
(4) die Gießlösungs Temperatur oder die Spinning-Temperatur in Antwort auf die Messung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungsseiten.
1 ist ein Diagramm einer Vorrichtung zum Messen von K_UF gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Graph, der die Entsprechung zwischen Molekulargewicht-Abtrennung und dem Reziproken der K_UF-Werte zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurden.
3 ist ein Graph, der die K_UF-Auftragungen für Beispiele 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Graph, der die K_UF-Auftragungen für Beispiele 4 bis 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein Graph, der die K_UF-Auftragungen für Beispiele 7 bis 9 der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Graph, der die K_UF-Auftragungen für die Beispiele 10 bis 12 der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Graph, der die K_UF-Auftragungen für einige kommerzielle Ultrafiltrationsmembranen zeigt.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Konzentration von Nichtlösungsmittel in dem Gießbad und resultierenden K_UF-Werten der Membranen zeigt.
9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen UV-Absorbanz und monodisperser Latexkügelchen-Konzentration zeigt, wie sie verwendet wurden, um den Ausschlußkoeffizienten für Ultrafiltrationsmembrane gemäß der vorliegenden Erfindung zu bestimmen.
10 ist eine Gruppe von K_UF-Graphen für eine Membran der vorliegenden Erfindung, in dem die K_UF-Kurvenform vor und nach einem Naß-/Trocken-Zyklus verglichen wird.
11 ist eine Gruppe von K_UF-Graphen für eine kommerziell verfügbare UF-Membran, in dem die K_UF-Kurvenformen vor und nach einem Naß-/Trocken-Zyklus verglichen werden.
12 ist ein Diagramm einer idealisierten K_UF-Kurve, das das Verfahren darstellt, wodurch der K_UF-Wert oder charakteristische Druck bestimmt wird.
Durch Befolgen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Ultrafiltration-/Diafiltration-Membranen herzustellen, die die zuvor beschriebenen Eigenschaften besitzen, einschließlich der Freiheit von Hauptdefekten, die die Haut der Membran durchbrechen. Verschiedene Polymertypen wie z. B. Polyethersulfon, Polysulfon, Polyphenylsulfon und ähnliches können gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Im Interesse der Knappheit wird die Erfindung hinsichtlich der aromatischen Polysulfone und Polyethersulfone, insbesondere der letzteren, mit dem Verständnis beschrieben, daß die in der Anmeldung beschriebene Erfindung eine breitere Anwendung auf andere Membranstrukturen hat.
Der Harztyp der aromatischen Polysulfone, der zum Bilden der Membran verwendet wird, weist aromatische Polysulfone bzw. aromatische Polyethersulfone auf, die von wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (I), (II) und (III) gebildet werden.
Verschiedene gewöhnliche kommerzielle Klassen von Polyaryletherpolymeren, die für die vorliegende Erfindung nützlich sind, sind durch die folgenden Formeln dargestellt:
Udel (Warenzeichen von Union Carbide)
Victrex (Warenzeichen von I. C. I)
Radel (Warenzeichen von Union Carbide)
Andere geeignete Polyethersulfone und ihre Darstellung sind offenbart in "Synthesis of Poly(arylene sulphones) by Polycondensation of Arylsulphonyl Chlorides under Friedel-Crafts Conditions" von Cudby et al., Polymer, 6,589 (1965), "Structures of the Poly(diphenylene ether sulphones) Obtained by Polysulphonylation," von Cudby et al., Polymer, 9,265 (1965), Britisches Patent Nr. 1,016,245 und U.S. Patentnr. 4,008,203 , 4,105,636 und 4,108,837 , die hier unter Bezugnahme eingebaut sind.
Diese Harztypen von aromatischen Polysulfonen, Polyethersulfonen und Polyphenylsulfonen haben alle vorzugsweise eine Durchschnittsmolekulargewichtszahl von 20.000 bis 100.000 und vorzugsweise von etwa 30.000 bis etwa 50.000.
Das Lösungsmittelsystem (Bindemittel) für das Harz wie z. B. Polyethersulfon weist zumindest ein Lösungsmittel und mindestens ein Nichtlösungsmittel auf. Beispiele von geeigneten Lösungsmitteln sind DMF, DMAC, DMSO, NMP und Formylpiperidin (FP). Bevorzugte Nichtlösungsmittel sind Propionsäure, Buttersäure und Isobuttersäure.
Die bevorzugte Gieß- oder Spinning-Lösung wird etwa 15 bis etwa 20 Prozent Harz aufweisen, wie z. B. Polyethersulfon, bevorzugter etwa 16 bis etwa 19 und noch bevorzugter etwa 17 oder 18. Des weiteren ist das Verhältnis von Lösungsmittel zu Nichtlösungsmittel vorzugsweise von etwa 1,5 bis etwa 2, am bevorzugtesten von etwa 1,5 bis etwa 1,9 und gewöhnlich etwa 1,7.
Des weiteren ist es sehr wichtig, daß die Gießlösung frei von verunreinigenden Partikeln ist wie z. B. Gelpartikel und im wesentlichen frei von gelösten Gasen ist. Deshalb sollte die Lösung extrem gut gemischt sein, wie z. B. mit einem Hoch-Scherkraft-Mischer, gefiltert und vor dem Gießen der Membranen entgast werden. Das Entgasen ist deshalb wichtig, weil, wenn die Lösung nicht richtig entgast ist, das Ergebnis eine Membran mit wesentlichen Defekten wie z. B. Nadelstichen (Löchern) sein wird.
Ein Erstarrungsbad wird verwendet, das aus einem Nichtlösungsmittelmedium, das ein Nichtlösungsmittel enthält, und einer beträchtlichen Menge Lösungsmittel besteht. Die Porengröße steigt, wenn die Konzentration des Lösungsmittels in dem Membranerstarrungsbad vergrößert wird. Die Zusammensetzung des Membranerstarrungsbades variiert mit der Natur des Lösungsmittels. Gewöhnlich sind in dem Membranerstarrungsbad etwa 10 bis etwa 50 Prozent Lösungsmittel vorhanden, wobei der Rest Nichtlösungsmittel ist, vorzugsweise wird Wasser zusammen mit irgendwelchem Nichtlösungsmittel in der Gießharzlösung angewendet, gewöhnlich Monocarbonsäuren, die 3 oder 4 Kohlenstoffatome enthalten. Für die Lösungsmittel Dimethylacetamid oder N-Methylpyrrolidon ist die bevorzugte Konzentration des Lösungsmittels etwa 20 bis etwa 45 Prozent. Organische Lösungsmittel sind die allgemein bevorzugten Additive zu den Membranerstarrungsbädern.
Vor dem Gießen der Membranen wird es bevorzugt, die Polymerlösung zu filtern. Das Filtern der Polymerlösung vor dem Gießen reduziert im wesentlichen Imperfektionen in den gegossenen Filmen. Die Lösung kann sauggefiltert durch Glasmikrofasern, poröses rostfreies Stahl- oder anderes Filtermaterial sein und dann durch eine oder mehrere Membranen mit Poren mit Durchmessern von etwa fünf Mikrometer geleitet werden. Damit die Lösung durch die Membranen mit kleinerer Porengröße bei akzeptablen Strömungsraten hindurchgehen kann, ist es gewöhnlich notwendig, Druck anzulegen. Die Größe des angelegten Druckes wird von der Viskosität der Lösung und der Porengröße der Membran abhängen. Ausreichend Druck wird benötigt, um die Lösung durch die Membran zu drücken.
Ein Entgasen der Lösung ist wichtig, wie oben bereits angedeutet, und kann durch den Gebrauch irgendeiner bekannten Methode realisiert werden.
Die Lösung wird dann als ein dünner Fluidfilm auf und/oder in ein geeignetes (porös oder nicht porös) Substrat gegossen, um eine Gesamtmembrandicke von etwa 25 bis etwa 250 μm, vorzugsweise von etwa 50 bis etwa 150 μm zu formen. Unter den porösen Substraten, die für diese Erfindung nützlich sind, sind verschiedene nicht gewebte und gewebte Textilien, die ähnlich oder identisch jenen sind, die in der Umkehrosmose- und Ultrafiltration-Industrie verwendet werden. Zusätzlich zu der flachen Blattkonfiguration können die Membranen dieser Erfindung in Hohlfasern oder röhrenförmiger Form mit Eigenschaften hergestellt werden, die ähnlich jenen sind, die für flache Blätter beschrieben sind.
Nach Erstarren wird die Membran von Lösungsmittel unter Verwendung von Wasser freigewaschen und getrocknet.
Die Temperatur der Gieß- oder Spinning-Lösung wird im allgemeinen im Bereich zwischen Umgebungstemperatur und 85°C geregelt, vorzugsweise zwischen 30° und 65°C, und die Temperatur der koagulierenden Flüssigkeit wird im allgemeinen bei etwa Umgebungstemperatur geregelt.
Die Porengrößen in den Membranen der vorliegenden Erfindung sind in dem Bereich, Molekulargewicht-Abtrennwerte von etwa 1.000 bis etwa 500.000 Dalton zu erzeugen. Die Eigenschaften der Membranen können bestimmt werden durch spezifische Eigenschaften des angewendeten ausgewählten Polymersystems, aber mit sorgfältiger Auswahl und guter Verfahrenstechnik ist es möglich, Ultrafiltrationsmembranen mit physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erhalten, die für die Anwendung in einer breiten Vielzahl von Ultrafiltration- und Diafiltrationsoperationen geeignet sind.
Die Ultrafiltrationsmembranen der vorliegenden Erfindung sind besonders wünschenswert zur Verwendung bei Diafiltration- und Ultrafiltrationsanwendungen in biologischen Systemen.
Ohne die Breite der vorliegenden Erfindung zu begrenzen und ohne an eine besondere Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß die Enge der Porengrößenverteilung in Membranen der vorliegenden Erfindung infolge einer Anzahl von bezogener Faktoren vorhanden ist:

1. Das Fehlen von extrahierbaren polymeren Additiven;
2. die Verwendung von Lösungsmittel-Bindemitteln, die große Lösungsmittelmengen enthalten;
3. die Verwendung von Lösungen mit einer niedrigen Toleranz für Nichtlösungsmitteln;
4. die gesteuerte Kernbildung bzw. Nukleation der Lösung durch Hoch-Scherkraft-Rühren, Nichtlösungsmittel-Zugabe und Temperaturregelung;
5. Entfernung von Gelklumpen aus der Lösung durch Filtration und Hoch-Scherkraft-Mischen;
6. Erstarren der Gießlösung in einem Nichtlösungsmittelbad, das eine beträchtliche Konzentration Lösungsmittel enthält; und
7. die Fähigkeit, schnell und genau Ultrafiltrationsporengröße und Membranunversehrtheit durch das K_UF-Verfahren zu messen und Prozeßänderungen in Reaktion auf jene Messungen vorzunehmen.

Die Ultrafiltrationsmembranen der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise wünschenswert zum Gebrauch für Molekularabtrennungen, bei Diafiltrations- und Ultrafiltrationsanwendungen in biologischen Systemen.
Durch Befolgen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Ultrafiltration-/Diafiltrations-Membranen herzustellen, die die zuvor beschriebenen Eigenschaften besitzen. Die Membranen der vorliegenden Erfindung können auch gekennzeichnet sein durch ihre wesentliche Freiheit von Hauptdefekten wie z. B. Nadelstichen oder Makroporen, die in Form von fingerartigen Intrusionen sind, die sich von einer Oberfläche der Membran zu der anderen erstrecken. In einigen Ausführungsformen können die Membranen auch als im wesentlichen aus zwei Schichten bestehend, einer dünnen Haut mit einer engen Porengrößenverteilung und einer dicken schwammartigen, makroporenfreien Matrix gekennzeichnet sein. Eine dritte (Übergangs-)Schicht mittlerer Dichte kann auch zwischen der Haut und den Substrukturschichten angeordnet sein.
Wie zuvor beschrieben, gibt es gegenwärtig kein Verfahren zum schnellen Testen der Unversehrtheit und Molekulargewicht-Abtrennung von einer Ultrafiltrationsmembran. Was im Fall von Ultrafiltrationsmembranen benötigt wird, ist ein Test, der so schnell und mit der Zuverlässigkeit der K_L- und der Blasenpunkttestverfahren verwirklicht werden kann, wie sie für Mikrofiltrationsmembranen angewendet werden. Der Blasenpunkttest einer Mikrofiltrationsmembran wird durch gründliches und vollständiges Benetzen der Probe mit einer Flüssigkeit gemessen und dann Unterdrucksetzen der Zuströmseite der Membran mit Luft oder einer anderen gasförmigen Substanz wie z. B. Stickstoff. Während des Blasenpunkttestes wird die Abströmseite der Probe visuell beobachtet, wenn der Zuströmgasdruck leicht erhöht wird. Wenn der Druck genügend angestiegen ist, wird ein Blasenstrom beobachtet, der durch die Membran hindurchdringt. Der Druck, bei dem dieser Strom von Blasen zu fließen beginnt, ist als der Anfangsblasenpunkt bekannt. Wenn der Zuströmluftdruck weiter erhöht wird, beginnen zusätzliche Gebiete des Filters, Blasenströme zu zeigen, bis die gesamte Probe zu schäumen scheint. Der Druck, bei dem dies auftritt, wird als der "FAO"(foam all over)- oder Überall-Schaum-Punkt bezeichnet. Die Bedeutung dieser Messungen liegt in der Beziehung zwischen der Porengröße des Filters und dem Blasenpunktdruck, was durch die Laplace-Gleichung definiert wird ΔP = 4γ/Dwo

ΔP: = die Druckdifferenz für das Medium ist,
γ: = die Oberflächenspannung der benetzenden Flüssigkeit
D: = Durchmesser der Kapilare oder Pore.

Obwohl die Poren eines Filters zylindrisch oder nicht zylindrisch in der Form sein können, liefert die Laplace-Gleichung die theoretische Basis für das Blasenpunkttesten. Nämlich die Luft oder Gas übt eine Kraft auf die Poren oder Kapilaren aus, die mit der benetzenden Flüssigkeit gefüllt sind. Wenn der Druck groß genug ist, wird die Flüssigkeit herausgedrückt, und Luft fließt frei durch die einmal benetzten Poren des Filters. Der Luftstrom wird auf der Abströmseite als ein Blasenstrom beobachtet. Wie aus der Laplace-Gleichung entnommen werden kann, gilt, daß je kleiner der Durchmesser der Pore ist, desto höher ist der benötigte Druck, um die Flüssigkeit aus den Poren zu verdrängen. In gleicher Weise gilt, daß je höher die Oberflächenspannung der benetzenden Flüssigkeit ist, desto höher ist der benötigte Druck, um die Flüssigkeit aus den Poren zu verdrängen.
Der Anfangsblasenpunkt-Druck ist der Druck, bei dem der Blasenstrom zuerst detektiert wird, und entspricht somit der Öffnung der größten Poren der Membran. Ein Erhöhen des angelegten Luftdruckes nach dem Beobachten des ersten Blasenstromes veranlaßt die Flüssigkeit, aus zunehmend kleineren Poren verdrängt zu werden. Der Überall-Schaum-Punkt wird beobachtet, wenn der Druck hoch genug ist, um Flüssigkeit sowohl aus den größeren Poren als auch aus den kleineren zu verdrängen.
Eine Verfeinerung der Blasenpunktmethode ist im Patent 4,340,479 beschrieben, das hier unter Bezugnahme eingebaut worden ist und das bekannt ist als eine K_L-Messung.
K_L ist eine Abkürzung für "Knieanordnung", ein Parameter eines Membranverhaltens, der die bezeichnete Porengröße von Mikrofiltrationsmembranen bezeichnet.
In dem K_L-Verfahren wird, anstelle einfach den Punkt zu beobachten, bei dem ein Blasenstrom durch das benetzte Medium zu fließen beginnt, die Luftstromrate durch die benetzte Probe auf der Abströmseite gemessen, indem ein Strömungsmesser verwendet wird. Damit kann man quantitative Messungen von Luftstrom über Luftdruck erhalten. Die Form der Kurve ist ein Anzeiger über die Breitheit oder Engheit der Porengrößenverteilung, und der Druck, bei dem die Biegung in der Kurve auftritt (der K_L-Wert) ist eine Funktion der Porengrößenklasse der Membran. Der Test wird durchgeführt durch Benetzen der Membran mit Flüssigkeit und dann langsam Anheben des Luftdruckes auf der Zuström seite der Probe. Ein stetiger Anstieg des Luftstromes wird auf der Abströmseite der benetzten Probe gemessen, wenn der Druck erhöht wird. Das ist so infolge der diffusiven Strömung, die durch die Löslichkeit von Luft in der benetzenden Flüssigkeit hervorgerufen wird. Schließlich steigt, wenn die Flüssigkeit beginnt, aus den Poren der Membran verdrängt zu werden, die Luftstrdmungsrate schnell infolge der Strömungsmenge der geöffneten Poren. Durch Aufzeichnen von Luftströmung/Luftdruck auf der Y-Achse anstelle einfach des Luftstromes wird die Druckabhängigkeit der Luftlöslichkeit in der benetzenden Flüssigkeit verdeckt. Wenn der Luft- oder Gasstrom durch eine benetzte Membran gegen ein Vergrößern eines angelegten Druckes aufgezeichnet wird, ist die Anfangsströmung rein diffusiv, und die Luftströmung pro Einheit angelegten Druckes bleibt nahezu konstant, bis ein Punkt erreicht wird, wo eine kleine Zunahme im Druck einen sehr scharfen Anstieg in der Strömung verursacht, so daß die Kurve nahezu vertikal wird. Der Druck, bei dem dies auftritt, wird als das K_L für die Membran bezeichnet. Die K_L-Kurve scheint sich deshalb in Richtung des Biegungspunktes abzuflachen. Gleichmäßige Porenmedien sind durch einen scharfen Wechsel im Anstieg auf einen nahezu vertikalen Verlauf bei Drücken über dem K_L-Wert gekennzeichnet.
Die Blasenpunkt- und K_L-Flüssigkeits-Verdrängungstechniken, die oben beschrieben wurden, sind zum Kennzeichnen von Membranen und anderen Filtermaterialien mit Porengrößen nach unten bis zu rund 0,05 μm im Durchmesser nützlich. Obwohl der K_L-Test eine exzellente Art ist, Mikrofiltrationsmembranen zu testen, wird so ein Test nicht für Ultrafiltrationsmembranen funktionieren, weil die hohen Drücke, die benötigt würden, um die benetzende Flüssigkeit aus den Ultraporen in der Ultrafiltrationsmembran zu verdrängen, die Membran zusammendrücken oder zerquetschen würde. Somit gibt es unglücklicherweise gegenwärtig keine gute Art, die Unversehrtheit einer Ultrafiltrationsmembran zu testen und gewiß keine schnelle Art, das zu tun.
K_L-Typmessungen können an Membranen ausgeführt werden mit Porenklassen nach unten bis zu 0,05 μm durch Verwenden von benetzenden Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung wie z. B. Ethylalkohol mit einer Flüssigkeit/Luft-Oberflächenspannung von etwa 24 dyn/cm. Eine Überprüfung der Laplace-Gleichung zeigt die Abhängigkeit des Verdrängungsdruckes von der Oberflächenspannung (γ). Wenn die Oberflächenspannung der benetzenden Flüssigkeit sinkt, sinkt auch der benötigte Druck, um Flüssigkeit aus einer Kapillare oder Pore zu verdrängen. Die Luft/Flüssigkeit- und Dampf/Flüssigkeit-Oberflächenspannungen sind jedoch zu hoch, um für konventionelles Blasenpunkt- oder K_L-Testen von Membranen mit sehr kleinen Porengrößen nutzbar zu sein. Obwohl einige Fluorkohlenwasserstofffluide Flüssigkeit/Luft-Oberflächenspannungen zwischen 12 und 18 dyn/cm haben, ist so ein Niveau noch zu hoch, um Verwendung finden zu können.
In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kennzeichnen von Membranen bereitgestellt. Das Verfahren weist auf:
Ein gründliches Benetzen der zu testenden Membran mit einer Anfangsbenetzungsflüssigkeit, die in der Lage ist, die Membran vollständig zu benetzen, dem Anordnen einer Verdrängungsflüssigkeit in Kontakt mit einer Seite der benützten Membran, ein Anlegen eines sich vergrößernden Druckes an die Verdrängungsflüssigkeit; und ein Messen der Strömungsrate der Flüssigkeit, die durch die Membran gelangt, als eine Funktion des angelegten Druckes; wobei die Verdrängungsflüssigkeit im wesentlichen unlöslich in der benetzenden Flüssigkeit ist, und die Grenzflächenspannung zwischen der benetzenden Flüssigkeit und der Verdrängungsflüssigkeit etwa 10,0 dyn/cm oder weniger ist. Das ermöglicht die Eliminierung der Luft/Flüssigkeitsgrenzfläche mit hoher Oberflächenspannung, die während eines konventionellen Blasenpunkt- oder K_L-Testen gebildet wird. Anstelle dessen wird eine Flüssigkeit/Flüssigkeitgrenzfläche mit niedriger Zwischengrenzflächenspannung gebildet, die es erlaubt, daß Testdrücke um Tausende von psi verringert werden können. Zum Beispiel wird geschätzt, daß Wasser-Naß-Ultrafiltrationsmembranen konventionelle K_L-Testdrücke erfordern würden, die abhängig von der bezeichneten Molekulargewicht-Abtrennung höher als etwa 5.000 psi sein könnten. Durch Verwenden des K_UF-Testverfahrens können Testdrücke unter etwa 120 psi reduziert werden, abhängig von der Wahl nicht mischbarer Fluide.
Zum Zwecke der Beschreibung des neuen K_UF Testverfahrens wird eine "Flüssigkeit A" verwendet, um die Flüssigkeit zu beschreiben, mit der die Membran benetzt wird (auch als "benetzende Flüssigkeit" bezeichnet). "Flüssigkeit B" (auch als die "Verdrängungsflüssigkeit" bezeichnet), wird verwendet, um die Flüssigkeit zu beschreiben, die verwendet wird, um Flüssigkeit A aus den Poren der Membran zu verdrängen. Die Flüssigkeiten A und B müssen im wesentlichen nicht-mischbare Flüssigkeiten sein.
Der Test wird durchgeführt durch Benetzen einer Membran mit Flüssigkeit A, die in der Lage sein muß, die Membran gründlich zu benetzen. Die Probe wird dann in eine Testvorrichtung montiert, in der Flüssigkeit B in Kontakt mit der Zuströmseite der durch die Flüssigkeit A benetzten Membran steht. Die Abströmseite der Vorrichtung ist über Röhren mit dem Seitenarm eines Filtrationskolbens oder eines anderen geeigneten Behälters verbunden, der in der Lage ist, Flüssigkeit zu sammeln, die auf der Abströmseite der Membran ausgedrückt wird (siehe 1). Der Seitenarmkolben ist mit einem Einlochstöpsel zugestöpselt, in den ein Strömungsmesser eingefügt ist. Somit wird jegliche Flüssigkeit, die in den Seitenarm des Filtrationskolbens eintritt, beginnen, den Kolben zu füllen, und in dem Prozeß wird Luft, die in dem Kolben enthalten ist, durch den Strömungsmesser entlüftet. Diese Anordnung erlaubt die Messung der Strömungsrate der Flüssigkeit B durch die von der Flüssigkeit A benetzte Membran mittels der Rate, bei der Luft aus dem Seitenarmkolben verdrängt wird. Die Strömungsrate der Flüssigkeit B könnte direkt als Flüssigkeitsstrom gemessen werden, jedoch die Verwirklichung einer solchen Meßtechnik würde unnötig komplizierter sein.
Beim Durchführen des K_UF-Testes wird Druck an den Behälter, der die Flüssigkeit B enthält, angelegt, während ein Flüssigkeitsstrom auf der Abströmseite der Membran beobachtet wird, indem der Strömungsmesser verwendet wird. Luft wird nur ausströmen durch den Strömungsmesser, wenn Flüssigkeit auf der Abströmseite der Membran ausgedrückt wird. Die Flüssigkeit kann nur die Probe durchdringen, wenn der an die Flüssigkeit B angelegte Druck ausreichend ist, um die Flüssigkeit A aus den Poren der Membran zu verdrängen. Der benötigte Druck, um die Flüssigkeit A aus den Poren der Membran zu verdrängen, ist eine Funktion des Porendurchmessers. Somit ist der gemessene Druck, der benötigt wird, um eine Flüssigkeitsströmung durch die Membran aufzubauen, abhängig von der Porengröße und somit der Molekulargewicht-Abtrennung der Ultrafiltrationsmembran. Wenn der an die Flüssigkeit B angelegte Druck erhöht wird, wird eine Strömung durch einen zunehmenden Teil der kleineren Poren der Membran aufgebaut. Wenn die Porengrößenverteilung der Membran eng ist, wird ein geringer Druckanstieg zu einem großen Anstieg der Strömung der Flüssigkeit B durch die Membran führen. Das wird bewiesen durch einen Biegungspunkt in der Kurve der Strömungsrate gegenüber dem Druck. Bei Drücken unter dem Biegungspunkt ist die Kurve im Grunde horizontal, vorausgesetzt, daß die Membran Poren von relativ gleichmäßigem Durchmesser hat. Wenn einmal der Druck genügend über den Biegungspunkt erhöht worden ist, steigt die Strömungsrate schnell, und für eine Membran mit einer engen Porengrößenverteilung wird die Kurve fast vertikal. Je enger die Porengrößenverteilung ist, umso steiler ist der Anstieg des vertikal liegenden Abschnittes der Kurve.
Der Druck, der zum Verdrängen der Flüssigkeit A aus der Membran benötigt wird, hängt von der Grenzflächenspannung zwischen den nicht-mischbaren Flüssigkeiten A und B sowie von dem Porendurchmesser der Membran. ab. Durch so Auswählen der Flüssigkeiten A und B, daß die Grenzflächenspannung klein ist, z. B. das 1-Butanol/Wassersystem mit einer Grenzflächenspannung von etwa 1 oder 2 dyn/cm können die Testdrücke relativ niedrig gehalten werden, selbst für UF-Membranen mit extrem kleinen Porendurchmessern. Schließlich wird durch Auftragen des Druckes der Flüssigkeit B gegenüber der Strömung auf der Abströmseite eine der K_L-Kurve ähnliche Kurve erhalten. In dem Testablauf wird die Luftströmung, die aus dem Kolben entlüftet wird, gemessen, indem ein Strömungsmesser oder Strömungsmeßwertgeber verwendet wird. Jedes geeignete Verfahren des Messens der Flüssigkeitsströmung kann jedoch verwendet werden.
Flüssigkeitssysteme, die aus Paaren von nicht-mischbaren Flüssigkeiten bestehen, in denen beide Flüssigkeiten in Kontakt miteinander sind und somit eine Phasengrenze zwischen den Schichten bilden, sind dafür bekannt, daß sie sehr niedrige Grenzflächenspannungen haben. Grenzflächenspannungen in diesem Fall werden zwischen den Flüssigkeitsphasen an der Grenze zwischen den zwei nicht-mischbaren Flüssigkeiten gemessen. Tabelle 1 ist eine Liste von Grenzflächenspannungen für verschiedene organische Flüssigkeiten, die eine Phasengrenze mit Wasser bilden, wie z. B. in dem Buch Interfacial Phenomena, 2. Ausgabe, von J. T.

Davies, und E. K. Rideal (1963) berichtet. In Tabelle 1 sind auch Löslichkeiten der verschiedenen Verbindungen in Wasser eingeschlossen, wie berichtet in dem Chemical Rubber Handbook (CRC), 1970er Ausgabe. TABELLE 1

Verbindung	Grenzflächen-Oberflächenspannung dyn/cm	Temperatur °C	Löslichkeit (g/100 g H₂O)
Ethylether	10,7	20	7,5
n-Octanol	8,5	20	0,054
n-Hexanol	6,8	25
		20	0,6
Anilin	5,85	20
n-Pentanol	4,4	25
		22	2,7
Ethylacetat	2,9	30
		15	8,5
Isobutanol	2,1	20
		15	10,0
n-Butanol	1,8	25
	1,6	20
		15	9,0

Obwohl die Tabelle 1 nur organische Flüssigkeiten und Wasser auflistet, kann das K_UF-Testverfahren, das oben beschrieben wurde, ausgeführt werden, indem irgendein Paar nicht mischbarer Flüssigkeiten verwendet wird.
Gemäß dem vorgenannten Verfahren kann die benetzende Flüssigkeit eine einzige flüssige Verbindung sein, wie z. B. n-Octylalkohol, und die Verdrängungsflüssigkeit kann auch eine einzige Verbindung wie z. B. Wasser sein, das im wesentlichen unlöslich in dem n-Octylalkohol ist. Alternativ dazu kann die benetzende Flüssigkeit ein Gleichgewichtsgemisch sein, das eine erste flüssige Verbindung wie z. B. n-Butylalkohol aufweist, die mit einer zweiten flüssigen Verbindung wie z. B. Wasser gesättigt ist. Die zweite flüssige Verbindung, die mit der ersten gesättigt ist, wird dann als die Verdrängungsflüssigkeit verwendet. Bezüglich je einer der Ausführungsformen ist es die wichtige Tatsache, daß die Grenzflächenspannung zwischen den zwei Flüssigkeiten relativ konstant bleibt, während der Test durchgeführt wird. Es wird somit empfohlen, daß die Phasen kompositionell stabil sind, d. h. wenn die Phasen in Kontakt sind, tritt kein Nettostrom der Flüssigkeit A über die Grenzfläche auf, und kein Nettostrom der Flüssigkeit B tritt über die Grenzfläche auf. Somit gibt es keine wesentliche Variation in der Löslichkeit der Verdrängungsflüssigkeit in der benetzenden Flüssigkeit, die, falls vorhanden, die Ergebnisse beeinflußen könnte.
Des weiteren ist es wichtig, daß die Grenzflächenspannung zwischen der benetzenden Flüssigkeit und der Verdrängungsflüssigkeit nicht größer als etwa 10,0 dyn/cm ist, vorzugsweise nicht mehr als etwa 2,0 dyn/cm und am bevorzugtesten nicht mehr als etwa 1,6 dyn/cm.
In der Praxis wird der K_UF-Test gewöhnlich mit jeder der nicht-mischbaren Phasen, die mit der Flüssigkeit gesättigt sind, in der sie in engem Kontakt sind, durchgeführt. Zum Beispiel gibt Tabelle 1 die Löslichkeit von 1-Butanol in Wasser mit 9,0 g pro 100 g Wasser bei 15°C an. Da sich etwa 1-Butanol in Wasser auflösen wird, wird bevorzugt, daß die Wasserphase mit n-Butanol gesättigt ist. Genauso ist es bei der 1-Buta nol-Phase bevorzugt, daß sie mit Wasser gesättigt ist. Gegeneinander gesättigte Phasen werden leicht durch Schütteln eines ausreichende Mengen von jeder der Flüssigkeiten A und B enthaltenden Gemisches zusammen in einem Behälter oder einem Trenntrichter erreicht. In den hierin beschriebenen Tests und Beispielen wurde die organische Phase in jedem Fall als Flüssigkeit A verwendet, um die Membran zu benetzen, und die Flüssigkeit B war die wäßrige Phase. Es ist eine naheliegende Erweiterung des Verfahrens, die Flüssigkeiten umzudrehen, d. h. ein Benetzen der Membran mit der wäßrigen Phase und Unterdrucksetzen der Zuströmseite der Membran mit der organischen Phase.
Die 3 bis 7 sind Diagramme, die die K_UF-Kurve und den K_UF-charakteristischen Druck darstellen, die durch Befolgen der gerade beschriebenen Testprozedur erhalten wurde. Der K_UF-charakteristische Druck der Membran wird durch Extrapolieren einer Linie entlang des steilen Abschnittes der Testkurve nach unten zu der horizontalen Achse und Ablesen des Druckes erhalten, wobei wiederum die zuvor genannten Figuren das Verfahren verdeutlichen. Der K_UF-charakteristische Druck ist dann ein Maß der Molekulargewicht-Abtrennung für die Membran, wie in 2 definiert, deren Details bezüglich der Erzeugung in Beispiel 14 erklärt sind.
Der Vorteil des Anwenden des K_UF-Verfahrens ist der, daß Ultrafiltrations- und mikroporöse Membranen von fast jeglicher Porengröße, groß oder extrem klein, schnell charakterisiert werden können, indem Testdrücke im allgemeinen unter etwa 120 psig und oft unter 100 psig verwendet werden.
Beispiel 1–9
Ein Gemisch aus N,N-Dimethylacetamid (DMAC) und Propionsäure (PA) in einem Verhältnis von zwischen 1,5 und etwa 2,0 Teilen DMAC zu einem Teil PA, wurde verwendet, um Polyethersulfonharz (Ultrason E6010, BASF) bei 17% Feststoffanteil, nach Gewicht, aufzulösen. Das Polyethersulfonharz wurde mit dem DMAC/PA-Lösungsmittelsystem in einem Harzkessel mit einem Wassermantel kombiniert und bei einer konstanten Temperatur von 50°C gehalten, während es nicht weniger als 16 Stunden gemischt wurde. Die resultierende Lösung ließ man dann auf Raumtemperatur abkühlen, während der Zeit sie gefiltert und dann unter Vakuum entlüftet wurde.
Eine Menge der Harzlösung, die zum Abstreichen eines Filmes mit Abmessungen von etwa 5 mil dick × 10 Inch lang × 8 Inch breit ausreichend war, wurde auf eine Glasplatte aufgebracht, und ein Film wurde gezogen. Die den gezogenen Film enthaltende Glasplatte wurde dann in ein Absetzbad eingetaucht, das ein Gemisch von DMAC, PA und Wasser enthält. Absetzbadzusammensetzungen waren so, daß das Verhältnis von DMAC:PA das gleiche in dem Bad war wie in der Gießharzlösung. Die Konzentration von Wasser in den Absetzbädern wurde zwischen 25 und 65 Gew.-%, wobei der Rest des Bades, das aus DMAC und PA besteht, variiert. Nachdem die Membran sich abgesetzt hatte, wurde sie aus dem Bad entfernt, mit Wasser gewaschen und in einem Ofen bei einer Temperatur von 100°C etwa 10 Minuten getrocknet. Tabelle 2 listet eine Gruppe von Gießharz- und Badzusammensetzungen zusammen mit den K_UF-charakteristischen Drücken und Molekulargewicht-Abtrennungen für Membranen, die unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wurden. Alle in diesem Dokument erscheinenden K_UF-Daten wurden bei Umgebungstemperatur erhalten, indem 1-Butanol gesättigt mit Wasser als die benetzende Flüssigkeit und Wasser gesättigt mit 1-Butanol als die Verdrängungsflüssigkeit verwendet wurden. Die 3 bis 5 sind die K_UF-Kurven, die für jede Probe gemessen wurden. Wie aus den K_UF-Kurven ersichtlich ist, kann die Porengröße der Membran für jede beliebige Gießharzzusammensetzung durch Variieren der Konzentration von Wasser in dem Bad variiert werden. Das ist in 8 dargestellt.
Durch Verwenden des K_UF-Testverfahrens wird gezeigt, daß die Membranen der vorliegenden Erfindung, wie durch die Beispiele 1–9 dargestellt, K_UF-Werte innerhalb des Bereiches von etwa 10 psi bis etwa 100 psi hatten.
Beispiele 10–12
Eine Masterharzlösung wurde durch Lösen von Polyethersulfonharz (Ultrason E6010, BASF Corporation) bei einer Konzentration von 25,85% Feststoffanteil in Dimethylacetamid ("DMAC") bei einer Temperatur von 65°C hergestellt.
Die Masterharzlösung wurde dann unter Hoch-Scherkraft-Bedingungen gemischt, indem ein Mischer vom Typ PT45/80 Polytron^R (Kinematica GmbH, Schweiz) verwendet wurde, der in den USA von Brinkmann Instruments, Westburg, N.Y. 11590 vertrieben wird, um jegliche ungelöste Polymergele durch Mischen etwa eine Minute lang bei einer hohen Geschwindigkeit aufzubrechen, wobei sich während dieser Zeit die Masterharztemperatur auf etwa 80°C erhöhte.
Eine Menge der Masterharzlösung, und zwar 393,2 g, wurde an einen Kolben mit Wassermantel übertragen. Die Harztemperatur wurde in dem Kolben auf 65°C geregelt, wobei während dieser Zeit 171,6 g Propionsäure zu dem übertragenen Harz zugegeben wurden, und zwar während des Mischens mit einem Propellerrührwerk. Das führte zu einer Gießlö sung, die 18% Polyethersulfonharz, 51,6% DMAC und 30,4% PA enthielt.
Der oben genannten Lösung wurde erlaubt, sich bei 65°C etwa eine halbe Stunde lang zu vermischen, indem das Propellerrührwerk verwendet wurde. Der Gießlösung ließ man dann auf 30°C über eine Periode von zwei Stunden abkühlen, während langsam gemischt wurde. Die Gießharzlösung wurde dann aus dem ummantelten Kolben entfernt und mit dem Polytronmischer etwa 40 Sekunden lang gemischt, wobei sich während dieser Zeit die Temperatur auf 55°C erhöhte. Die Lösung wurde dann durch eine 5 μm Nylonmembran gefiltert. Das Harz konnte sich dann auf Raumtemperatur abkühlen und wurde dann entlüftet. Proben wurden in Setzbäder gegossen, die 25, 45 und 65% Wasser enthielten, wobei der Rest des Bades aus DMAC und PA im Verhältnis von 1,7 Gewichtsanteilen DMAC zu 1 Teil PA besteht. Tabelle 3 faßt die Gießbedingungen zusammen, und 6 ist ein Graph der resultierenden K_UF-Kurven für die Membranen.
Durch Variieren der Harzkonzentration der Gießlösung in dem Bereich zwischen etwa 15 und 20% Feststoffanteilen bei gleichzeitigem Beibehalten eines Verhältnisses DMAC:PA zwischen 1,5 und 2 und Anwenden des K_UF-Testverfahrens wird gezeigt, daß die Membranen der vorliegenden Erfindung K_UF-Werte von etwa 10 bis 100 psi hatten, wenn sie unter Verwenden von 1-Butanol gesättigt mit Wasser als die benetzende Flüssigkeit und Wasser gesättigt mit 1-Butanol als die Verdrängungsflüssigkeit getestet wurden. Ein Variieren der Konzentration von Wasser in dem Bad wird die Porengröße der Membran variieren und somit der K_UF-charakteristische Druck und die Molekulargewicht-Abtrennung der Membran variieren.
Beispiele von kommerziellen Ultrafiltrationmembranen, deren Molekulargewicht-Abtrennungen alle bei oder unter 10.000 liegen, wurden mit einer Membran dieser Erfindung mit einer Molekulargewicht-Abtrennung verglichen, die bei 18.000 liegt. Die Fähigkeiten der verschiedenen Ultrafiltrationsmembranen, monodisperse Latexkügelchen mit 0,020 und 0,038 μm Durchmesser auszuschließen, wurden verglichen, indem das folgende Verfahren angewendet wurde. Unter der Fähigkeit, solche Partikel auszuschließen, soll man verstehen, daß ein solches Ausschließen bis zu den Detektionsgrenzen der vorliegenden Analyse gemessen wird, die bei etwa 4,5 × 10⁹ Teilchen pro ml für Latex mit 0,038 μm Durchmesser und 4,5 × 10¹⁰ pro ml für Latex mit 0,02 μm sind. Sollten genauere Meßtechniken angewendet werden und zeigen, daß ein totales Ausschließen nicht erreicht wird, würde solch eine Tatsache die Definition des Ausschliessens, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, nicht ändern, worunter das totale Ausschließen bis zu den Detektionsgrenzen des Verfahrens, wie in diesem Beispiel definiert, verstanden wird.
Eine Tween 20-oberflächenaktive Lösung wurde durch Erwärmen von 500 ml entionisiertem Wasser auf 60°C und Zufügen von 0,5 ml Tween 20-oberflächenaktive Substanz unter 10-minütigem Rühren hergestellt. Die Lösung wurde abgekühlt und anschließend als ein Dispergiermedium für monodisperse Latexpartikel verwendet.
Monodisperse Latexkügelchen mit 0,02 μm Durchmesser wurden in der Tween 20-oberflächenaktiven Lösung bei einer Konzentration von 0,01% Latexfeststoffanteil dispergiert, was einer zahlenmäßigen Konzentration von etwa 2,3 × 10¹³ Partikel pro ml entspricht. Diese Lösung wurde durch Zugeben von 0,5 ml von 2% Latex, wie es von Duke Scientific als dem Vertreiber geliefert wird, zu 99,5 ml der Tween 20-oberflächenaktiven Lösung unter Rühren hergestellt. Eine ähnliche 0,01% Latexfeststoffanteildispersion wurde hergestellt, indem Latexkügelchen mit 0,038 μm Durchmesser, die von Dow hergestellt werden, und die Tween 20-oberflächenaktive Lösung verwendet wurden. Eine 0,01%-ige Dispersion des 0,038 μm Latex entspricht einer zahlenmäßigen Konzentration von etwa 3,3 × 10¹² Partikel pro ml Dispersion.
Ultrafiltrationsmembranen wurden dann als 25 ml Scheiben getestet auf Durchdringen von Latexpartikeln durch die Probe während Filtrationstests der 0,01%-igen Latexdispersionen. Auch ein Hohlfasermodul, das durch die A/G Technology Corporation hergestellt wurde, wurde, wie oben beschrieben, getestet.
Um kommerzielle Membranen zum Testen vorzubereiten, wurden die Instruktionen des Herstellers bezüglich der Entfernung von Benetzungsmittel vor dem Membrangebrauch angewendet. Das bestand im Wässern der Probe über eine Periode von etwa 1 Stunde in Tween 20-Lösung, die latexfrei war, wobei während dieser Zeit die Flüssigkeit drei Mal gewechselt wurde. Wässern der Membranen dieser Erfindung und des A/G-Hohlfasermoduls war nicht erforderlich, da sie kein Benetzungsmittel enthielten. Die Membranen wurden dann in einen 25 mm Scheibenhalter eingefügt, und eine 5 cm³ Spritze wurde mit der 0,01%-igen Latexsuspension gefüllt. Die Flüssigkeit wurde durch den Filter gezwungen und in Glasphiolen gesammelt. In dem Fall der A/G-Hohlfaserprobe wurde das Modul mit der 0,01%-igen Latexdispersion getestet, indem das durch den Hersteller in der Produktliteratur beschriebene Testverfahren angewendet wurde.
Die zahlenmäßige Konzentration von Latexpartikeln, die in den Austrägen gefunden wurde, wurde durch Messen der UV-Absorbanz bei einer Wellenlänge von 250 nm relativ zu einer latexfreien Tween 20-Lösung gemessen. Die Latexkonzentration in dem Austrag wurde aus der Kalibrierkurve von 9 bestimmt, in der Absorbanz gegen die zahlenmäßige Konzentration von Latexpartikeln aufgetragen ist.
Zurückhaltekoeffizienten für Latexpartikel wurden bestimmt, indem die folgende Formel angewendet wurde: Zurückhaltekoeffizient = 1 – [F/I] in der

F: = die zahlenmäßige Konzentration der im Austrag detektierten Latexpartikel und
I: = die anfangszahlenmäßige Konzentration der Latexpartikel, mit der die Zuströmseite der Membran beaufschlagt wurde.

Latexausschlußtests wurden auch mit Proben durchgeführt, die einem Naß/Trocken-Zyklus vor der Latexpartikelbeaufschlagung unterlagen. Ein Naß/Trocken-Zyklus bestand aus Spülen von Wasser durch die Membran, Trocknen der Probe, erneutes Benetzen der Probe mit Ethylalkohol, wiederum Spülen von Wasser durch die Probe, um den Alkohol zu entfernen und schließlich Trocknen. Das wurde drei Mal bei einer Anzahl von Proben wiederholt, wie in Tabelle 5 gezeigt, nachdem die Probe, wie zuvor beschrieben, mit Latex beaufschlagt wurde. Die Ergebnisse der Latexausschlußtests sind in Tabelle 5 enthalten.
Die zuvor genannten Ergebnisse unterstreichen, daß keine der kommerziellen Ultrafiltrationsmembranen in der Lage sind, 0,02 μm Partikel auszuschließen, außer die Millipore-Probe. Die Millipore-Probe versagte jedoch beim Zurückhalten der Latexpartikel, nachdem die Probe einem Naß/Trocken-Zyklus unterworfen worden ist, wie es in den Ergebnissen in Tabelle 5 demonstriert wurde.
Die zuvor genannten Ergebnisse zeigen deutlich, daß die Membranen der vorliegenden Erfindung einem Naß/Trocken-Zyklus unterworfen werden können und dennoch die Fähigkeit behalten werden, 0,02 μm Partikel auszuschließen. Keine der kommerziell verfügbaren Ultrafiltrationsmembranen einschließlich der Millipore-Probe, die in Beispiel 13 oben zitiert wurde, war in der Lage, 0,02 μm Partikel auszuschließen, nachdem die Membranen Naß/Trocken-Zyklen unterworfen wurden. Tatsächlich zeigte die Millipore-PTGC-10-Membran, daß selbst 0,038 μm Partikel nach einem Unterwerfen eines Naß/Trocken-Zyklus hindurchgingen. Außerdem können die meisten der in Tabelle 5 aufgelisteten Proben außer der Millipore-PTGC-10 und der Membranen der vorliegenden Erfindung 0,02 μm Latexpartikel nicht ausschließen, selbst wenn sie überhaupt keinem Naß/Trocken-Zyklus unterworfen worden sind.
Beispiel 14
7 wurde erhalten durch Messen der K_UF-Kurven für eine Vielzahl von kommerziell verfügbaren UF-Membranen. Die K_UF-charakteristischen Drücke dieser Proben wurden aus den Kurven von 7 bestimmt, indem das zuvor beschriebene Verfahren verwendet wurde. Tabelle 4 listet die so erhaltenen K_UF-Werte zusammen mit den klassifizierten Molekulargewicht-Abtrennungen für die Membranen auf. 2 wurde durch Verwenden der Daten aus Tabelle 4 und Auftragen der Molekulargewicht-Abtrennung gegen 1/K_UF erhalten. Wie aus dem Graph entnommen werden kann, ist das Ergebnis eine lineare Beziehung, die die Bestimmung der Molekulargewicht-Abtrennung durch einfaches Messen des K_UF-charakteristischen Drucks der Membran erlaubt. Der K_UF-Test stellt somit eine Hauptweiterentwicklung in der Charakterisierung und Unversehrtheitstestung von Ultrafiltrationsmembranen dar.
Beispiel 15

Eine K_UF-Kurve wurde an einer Probe erhalten, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, indem das in Beispiel 11 beschriebene Verfahren angewendet wurde. Die Probe wurde einmal einem Naß/Trocken-Zyklus unterworfen, indem das Verfahren des Unterwerfens eines Naß/Trocken-Zyklus, wie in Beispiel 13 beschrieben, angewendet wurde. In ähnlicher Weise wurde eine Filtron-Omega-Membran mit einer klassifizierten Molekulargewicht-Abtrennung von 100.000 auf K_UF getestet, und zwar vor und nach einem einzigen Naß/Trocken-Zyklus. 10 und 11 sind die resultierenden K_UF-Kurven. Eine Prüfung von 10 offenbart, daß die K_UF-Kurve für die Membran, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, nach einem Naß/Trocken-Zyklus im wesentlichen unverändert war. Im Fall der Filtron-Omega-Membran offenbart 11, daß nach nur einem Naß/Trocken-Zyklus die Form der Kurve sich verändert hat. Der Biegungspunkt, der die Molekulargewicht-Abtrennung der Membran bestimmt, wurde zu niedrigeren Drücken verschoben. Das zeigt an, daß nach Unterwerfen einem Naß/Trocken-Zyklus die Membran sich verändert hat, so daß größere Partikel zur Abströmseite hindurch gelangen können. Fährt man fort, die K_UF-Kurven von 11 zu untersuchen, so kann man sehen, daß bei Testdrücken unter dem Biegungspunkt es eine deutliche Strömungsrate durch die Membran sogar vor einem Unterwerfen einem Naß/Trockenzyklus gibt. Das zeigt entweder defekte oder große Poren an, wodurch die Flüssigkeit bei niedrigen Testdrücken fließen kann. Die Tatsache, daß kommerziell verfügbare UF-Membranen signifikante Zahlen von monodispersen Latexpartikeln, die viel größer als die Proteinmoleküle sind, die sie beanspruchen zurückzuhalten, hindurchlassen, stimmt mit den K_UF-Kurven von 11 überein, die anzeigen, daß eine signifikante Menge an Strömung auftritt bei Testdrücken klar unterhalb des Biegungspunktes in der K_UF-Kurve. Andererseits haben die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Membranen K_UF-Kurven, die extrem niedrigen Strömungsraten bei Testdrücken unterhalb des Biegungspunktes anzeigen. Eine Überprüfung von 10 offenbart, daß bei einem K_UF-Testdruck von 10 psi die Strömungsrate durch die Membran fast nicht erfaßbar ist, wenn 1-Butanol gesättigt mit Wasser als die benetzende Flüssigkeit und Wasser gesättigt mit 1-Butanol als die Verdrängungsflüssigkeit verwendet werden. Die 18 K-Molekulargewicht-Abtrennung-Membranen der vorliegenden Erfindung können auch 0,02 μm Latexpartikel, wie in Tabelle 5 gezeigt, zurückhalten, was anzeigt, daß sie scharfe Molekulargewicht-Abtrennungen haben. Im Gegensatz dazu versagten faktisch alle kommerziell verfügbaren Ultrafiltrationsmembranen, Latexpartikel mit Durchmessern von 0,020 und/oder 0,038 μm zurückzuhalten, nachdem sie drei Mal einem Naß/Trocken-Zyklus unterworfen wurden, und in den meisten Fällen sogar, wenn sie keinem Naß/Trocken-Zyklus unterworfen wurden. TABELLE 4

K_UF (psi)	1/K_UF	Klassifizierte Molekulargewicht-Abtrennung (Dalton)	Membran Typ
9,0	0,11	300000	Amicon 300K
23,0	0,04	100000	Filtron 100K
40,0	0,03	50000	Amicon 50K
50,0	0,02	30000	Filtron 30K
71,0	0,01	10000	Filtron 10K

Claims

Ultrafiltrations/Diafiltrations-Membran mit einer Porenstruktur, die, wenn sie gegen monodisperse Latexpartikel mit 0,02 μm Durchmesser gemessen wird, diese Partikel ausschließt, und die in der Lage ist, ohne Verlust von solchen Ultrafiltrationseigenschaften getrocknet zu werden, und die, nachdem sie mindestens einmal einen Naß/Trocken-Zyklus unterworfen worden ist, einen K_UF von 10 psi hat, indem 1-Butanol gesättigt mit Wasser als die benetzende Flüssigkeit und Wasser gesättigt mit 1-Butanol als die Verdrängungsflüssigkeit bei Umgebungstemperatur verwendet werden, und zwar bei einer Strömungsrate unter 50 cm³/min pro Quadratfuß/Membranfläche, wobei die Membran ein Polymer aufweist, welches aus der Gruppe bestehend aus Polysulfon, Polyethersulfon und Polyphenylsulfon ausgewählt wird.
Membran nach Anspruch 1, die eine Molekulargewicht-Abtrennungs-Größe von etwa 1000 Dalton bis etwa 20 000 Dalton hat.
Membran nach Anspruch 1, die eine Molekulargewicht-Abtrennungs-Größe von etwa 20 000 Dalton bis 200 000 Dalton hat, wobei die Membran monodisperse Latexpartikel, die größer als etwa 40 nm im Durchmesser sind, ausschließt.
Membran nach Anspruch 1, die eine Molekulargewicht-Abtrennungs-Größe von etwa 200 000 Dalton bis 500 000 Dalton hat, wobei die Membran monodisperse Latexpartikel, die größer als etwa 0,10 μm sind, ausschließt.
Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die eine Porengrößenklasse von etwa 10 Angstrom bis etwa 200 Angström hat.
Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die Polysulfon aufweist.
Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die Polyethersulfon aufweist.
Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die Polyphenylsulfon aufweist.
Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, die Polyethersulfon aufweist, gemischt mit etwa 1 bis etwa 50% eines kompatiblen Polymers.
Prozeß zum Filtern einer Flüssigkeit, der aufweist: Ein Veranlassen der Flüssigkeit, durch die Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu fließen.
Prozeß nach Anspruch 10, wobei die Filtration Proteine aus dem Fluid entfernt.
Prozeß nach Anspruch 10, wobei die Filtration Viren aus Blut oder einer Blutkomponente entfernt.
Verfahren zum Testen einer Membran auf Unversehrtheit, das aufweist: Ein gründliches Benetzen der Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Anfangsbenetzungsflüssigkeit, die in der Lage ist, die Membran vollständig zu benetzen, Anordnen einer Verdrängungsflüssigkeit in Kontakt mit einer Seite der benetzten Membran, Anlegen eines sich vergrößernden Druckes an die Verdrängungsflüssigkeit; und Messen der Strömungsrate und somit des Gesamtvolumens der Flüssigkeit, die durch die Membran als eine Funktion des angelegten Druckes hindurchgeht; wobei die Verdrängungsflüssigkeit nicht mischbar mit der benetzenden Flüssigkeit ist, und die Grenzflächen spannung zwischen der benetzenden Flüssigkeit- und der Verdrängungsflüssigkeit etwa 10,0 dyn/cm oder weniger ist.
Prozeß nach Anspruch 13, wobei ein K_UF-Wert bestimmt wird durch Zeichnen eines Plots der Strömungsrate einer Flüssigkeit pro Flächeneinheit der Membran durch die Membran als eine Funktion des angelegten Druckes, Zeichnen einer geraden Linie durch den steilen Teil der resultierenden Kurve, Anwenden der Regressionsanalyse und Bestimmen des Schnittpunktes der Linie mit der horizontalen Achse bei einem gegebenen Druckwert, der dann der K_UF-Wert ist.
Die Ultrafiltrations/Diafiltrations-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die einen K_UF-Wert von etwa 5 psi bis etwa 120 psi, vorzugsweise von etwa 5 psi bis etwa 100 psi hat, der bestimmt wird, indem 1-Butanol gesättigt mit Wasser als die benetzende Flüssigkeit und Wasser gesättigt mit 1-Butanol als die Verdrängungsflüssigkeit verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung der Ultrafiltrations/Diafiltrations-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das aufweist ein Lösen eines Polymerharzes in einem Träger, der sowohl ein Lösungsmittel für das Harz als auch ein Nichtlösungsmittel für das Harz enthält, wobei das Harz in einer Menge von etwa 15 bis etwa 20 Gew.-% vorhanden ist, und die Menge von Nichtlösungsmittel von etwa 30 bis etwa 34% der Lösung ist, einem schnellen Mischen der Lösung, um das Vorhandensein von Gelpartikeln zu reduzieren oder zu eliminieren, ein Filtern der Lösung, um jegliche Gelpartikel, die vorhanden sind, zu entfernen, ein Entgasen der Lösung, um jegliches eingeschlossene Gas zu entfernen, ein Gießen oder Spinning der Lösung auf einen Träger und Inkontaktbringen der resultierenden Gieß- oder Spun-Lösung mit einem Absetzbad, das sowohl ein Lösungsmittel als auch ein Nichtlösungsmittel für das Harz enthält, wobei das Verhältnis von Lösungsmittel zu Nichtlösungsmittel von etwa 1,5 bis etwa 2 ist.
Verbessertes allgemeines Verfahren zum Herstellen der Ultrafiltrations/Diafiltrations-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Anfangslösung, die eine polymerische gelöste Substanz, ein Lösungsmittel dafür und wahlweise ein Nichtlösungsmittel enthält, unter einer ersten Gruppe von Prozeßbedingungen gegossen oder gesponnen (spun) wird, wahlweise auf oder in ein Absetzbad, das ein Nichtlösungsmittel für das Polymer und wahlweise ein Lösungsmittel dafür enthält, um die gewünschte Membran zu bilden, wobei die Verbesserung besteht aus einem sorgfältigen Benetzen eines Abschnittes der Membran mit einer Anfangsbenetzungsflüssigkeit, die in der Lage ist, die Membran vollständig zu benetzen, ein Anordnen einer Verdrängungsflüssigkeit in Kontakt mit einer Seite der benetzten Membran, ein Anlegen eines sich erhöhenden Druckes an die Verdrängungsflüssigkeit und ein Messen der Strömungsrate der Flüssigkeit, die durch die Membran hindurchgeht als eine Funktion des angelegten Druckes, wobei die Verdrängungsflüssigkeit im wesentlichen unlöslich in der benetzenden Flüssigkeit ist, und die Grenzflächenspannung zwischen der benetzenden Flüssigkeit und der Verdrängungsflüssigkeit etwa 10,0 dyn/cm oder weniger ist, und ein Erstellen von einer oder mehreren der nachfolgenden Prozeßvariablen: 1) die Zusammensetzung der anfänglichen Lösung, 2) die Zusammensetzung des Absetzbades, 3) die Rate, bei der das Gießharz gemischt wird, und 4) die Gießtemperatur oder die Spinning-Temperatur in Antwort auf die Messung.