一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件及应用，该中空纤维膜组件包括筒状壳体和中空纤维膜束，中空纤维膜束由多个中空纤维膜构成；中空纤维膜包括主体，主体朝向内腔的一侧表面为内表面，另一侧表面为外表面；内表面上具有若干个狭缝形的第一孔洞，第一孔洞的孔径宽度平均值为60nm

【技术实现步骤摘要】
一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件及其应用


[0001]本专利技术涉及膜材料
，更具体的说是涉及一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件及其应用，该中空纤维膜组件用于高黏度的含生物大分子的流体。

技术介绍

[0002]近年来，生物类医药品(特别是免疫球蛋白等抗体)由于其治疗效果高且副作用少而被广泛利用。而抗体或病毒等生物大分子(生物大分子主要是指生物体细胞内存在的蛋白质、核酸、多糖等大分子，生物大分子的分子量从几万到几百万)主要是由动物细胞等生物产生，其含量较低且稳定性较差；因此为了作为医药品使用，需要从含有抗体、病毒等生物大分子的流体中进行分离纯化；目前最常用的分离纯化生物大分子的方式就是通过膜分离，这是因为膜分离技术分离效率高，能耗低，能够在常温下进行，且有效成分即各种生物大分子的回收率高。
[0003]膜分离技术的核心就是分离膜，分离膜主要包括聚合物滤膜，它是一类以有机高分子聚合物为原材料，根据一定工艺制成的分离膜；根据膜几何形态分为板式膜(平板膜)和中空纤维膜等；其中板式膜的结构简单，不易断裂，但设备效率低，并且在过滤过程中容易对生物大分子造成损伤；因此常用中空纤维膜分离纯化各种生物大分子，不仅效率高，并且不容易对各种生物大分子造成损伤。
[0004]在现有的市场中，已经出现了各种各样的中空纤维膜；例如专利权人东丽株式会社申请的专利公开号为CN112074340A的中国专利
‑
多孔质中空纤维，它是以聚砜系高分子为主成分的多孔质中空纤维膜，所述多孔质中空纤维膜具有内表面侧致密、外表面侧疏松的非对称结构，内表面的孔的短径的平均值为20nm以上且40nm以下，内表面的开孔率为10％以上且30％以下，并且外表面或内表面中的至少一侧的表面担载有含有单羧酸乙烯基酯单元的高分子；多孔质中空纤维对病毒等分离对象物质的除去性能优异且能够用作在低压力下处理也具有高透过性。
[0005]上述中空纤维膜是用于去除病毒等细小杂质，在去除病毒时，都是通过死端过滤的方式进行，从膜的孔径较大一侧表面流动到孔径较小一侧表面，大颗粒物质被截留在预过滤层(大孔区)，而病毒等较小颗粒杂质被截留在分离层(小孔区)，这样的过滤方式虽然能够具有高截留效率，但由于病毒都被截留在膜内，而膜内部的容量是有限的，因此使用寿命简单，并且被截留的病毒是杂质，是不需要的；而在生物纯化过程中，许多病毒载体恰巧是我们所需要的，因此需要选择一款合适的中空纤维膜组件用于生物大分子的纯化，特别是用于高粘度流体的纯化，并且还希望该中空纤维膜组件具有高通量和高截留效率，更重要的是，中空纤维膜内部的流体形成的层流流动状态，具有极其柔和的剪切力，有利于避免生物大分子在剪切力的影响下发生变性失活。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于生物大分子切向流过
滤的中空纤维膜组件及其应用，该中空纤维膜组件的截流分子量为100K
‑
750K，且该中空纤维膜组件具有高通量和高截留效率，特别适合高粘度的含有生物大分子的流体纯化。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，包括筒状壳体和中空纤维膜束，所述筒状壳体设置有进液口、回流液口和透过液口；所述进液口与中空纤维膜束的入口端相连通，所述回流液口与中空纤维膜束的回流端相连通，所述透过液口与中空纤维膜束的透过端相连通，所述中空纤维膜束由收纳在所述壳体内的多个中空纤维膜构成，所述中空纤维膜包括主体，所述主体朝向内腔的一侧表面为内表面，另一侧表面为外表面，所述主体内具有非定向曲折通路；所述中空纤维膜的内腔直径为1.0
‑
2.0mm；所述中空纤维膜的内腔直径与膜平均厚度之比为3:1至15:1；
[0008]所述内表面上具有若干个狭缝形的第一孔洞，所述第一孔洞的孔径宽度平均值为60nm
‑
450nm，所述第一孔洞在内表面上的孔洞面积率为5
‑
30％，其中所述第一孔洞的孔径宽度方向与中空纤维膜的周向一致；
[0009]所述中空纤维膜的水通量为400
‑
3000L*h
‑1*m
‑2@10psi。
[0010]本专利技术的中空纤维膜组件以切向流的方式在对相应的流体进行纯化时，流体会先进入进液口，而其中一部分流体(透过液)会透过中空纤维膜相应厚度，再通过组件的透过端流到相应管路中；其余一部分流体(回流液)在膜内腔中流动一定距离后，通过回流端，进入到相应管路中；而其中对流体起到关键分离纯化作用的就是中空纤维膜；本专利技术的中空纤维膜由PES材料制成，使得成膜具有不错的力学性能和化学稳定性；通过观察中空纤维膜的膜主体结构，可以清楚看到膜的内外表面上的孔洞孔径大小是不同的，存在一定的差距；即相较于外表面，内表面上的第一孔洞孔径较小，且第一孔洞数量较少(即内表面相对较致密)；此外通过观察发现，第一孔洞的形状并不是常见的圆形或者椭圆形，其为狭缝形(狭缝状)，即在与中空纤维膜膜长度方向一致的方向上，第一孔洞的孔径较大，因此该值被认为是第一孔洞的孔径长度值，而在与中空纤维膜膜周向方向一致的方向上，第一孔洞的孔径较小，因此该值被认为是第一孔洞的孔径宽度值，其中孔径宽度值的大小影响了膜整体的截留效率，而孔径长度值则影响了膜整体的通量，因此这样的内表面的第一孔洞形状更有利于膜具有高截留效率和高通量；经过测量发现了第一孔洞的孔径宽度平均值为60nm
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450nm(第一孔洞的孔径宽度方向与中空纤维膜的周向一致)，所述第一孔洞在内表面上的孔洞面积率为5
‑
30％，这样的孔径大小，适合截流分子量为100K
‑
750K的生物大分子物质，同时内表面相对致密，保证具有较高的截留效率；同时该中空纤维膜通过以切向流的形式纯化各种生物大分子(相应的流体在中空纤维膜的内腔中流动)，其剪切力较小，避免了生物大分子变性失活；
[0011]不同粘度的流体的纯化适合使用不同内径的中空纤维膜；在纯化高粘度流体时，如果膜丝的内径过小，那么高粘度流体就容易将膜丝内径堵住，导致中空纤维膜无法继续进行纯化，整个组件也无法正常工作，使用寿命大大降低；
[0012]而随着膜丝内径的增大，流体与膜内表面之间的剪切力就会大大降低；剪切力＝4Q/nπr3,其中Q为组件整体的进样流量，n为组件内部中空纤维膜的根数，r为中空纤维膜的内径，因此当进样流量和根数相同时，中空纤维膜的内径越大，那就说明剪切力就越弱；剪切力越弱，流体对膜表面的冲刷能力就越弱；
[0013]而在切向流过滤时，最关注的一个问题就是出现浓差极化现象，一些无法被截留
的物质会在中空纤维膜的内表面上沉积，形成一定厚度的滤饼层，滤饼层的存在会增加额外的传质阻力，同时导致透过通量降低，膜孔堵塞，整个膜组件的使用寿命大大降低；因此需要较高的剪切力，因为较高的剪切力，可以使得流体对膜内表面的冲刷能力较强(增强流体对滤饼层的冲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，包括筒状壳体和中空纤维膜束，所述筒状壳体设置有进液口、回流液口和透过液口；所述进液口与中空纤维膜束的入口端相连通，所述回流液口与中空纤维膜束的回流端相连通，所述透过液口与中空纤维膜束的透过端相连通，所述中空纤维膜束由收纳在所述壳体内的多个中空纤维膜构成，其特征在于：所述中空纤维膜包括主体，所述主体朝向内腔的一侧表面为内表面，另一侧表面为外表面，所述主体内具有非定向曲折通路；所述中空纤维膜的内腔直径为1.0
‑
2.0mm；所述中空纤维膜的内腔直径与膜平均厚度之比为3:1至15:1；所述内表面上具有若干个狭缝形的第一孔洞，所述第一孔洞的孔径宽度平均值为60nm
‑
450nm，所述第一孔洞在内表面上的孔洞面积率为5
‑
30％，其中所述第一孔洞的孔径宽度方向与中空纤维膜的周向一致；所述中空纤维膜的水通量为400
‑
3000L*h
‑1*m
‑2@10psi。2.根据权利要求1所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：一定粘度的流体，在一定入口端压力的作用下，所述中空纤维膜的实际长度L不大于低压损膜丝长度Y＝
‑
k(X
‑
1)*10+b；其中X为中空纤维膜的内径，X为1
‑
2mm；其中低压损膜丝长度Y是指回流端压力占入口端压力之比不低于50％时中空纤维膜的长度；b为当膜丝内径为1mm，且回流端压力占入口端压力之比为特定值时，膜丝的长度；所述b为80
‑
250cm；k为回流端压力占入口端压力之比为特定值时，膜丝长度随着膜丝内径变化的变化率；所述k为10
‑
80cm/cm；流体的粘度不低于20cps；入口端压力为5
‑
30psi。3.根据权利要求1所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：所述中空纤维膜的平均厚度为100
‑
200μm，膜整体孔隙率为40
‑
70％；所述内表面的表面粗糙度RA＝10
‑
40μm；所述内表面的第一水接触角为45
°‑
70
°
；所述内表面上，所述第一孔洞的孔径宽度的最大值与最小值之差为10
‑
200nm，且该差值不超过孔径宽度平均值的50％；所述中空纤维膜的最大厚度与最小厚度之差为5
‑
18um，且该差值不超过膜平均厚度的10％。4.根据权利要求1所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：所述第一孔洞的孔径长度平均值为120
‑
800nm，所述第一孔洞的孔径长度平均值为第一孔洞的孔径宽度平均值的1.3
‑
6倍；其中所述第一孔洞的孔径长度方向与中空纤维膜的长度方向一致。5.根据权利要求1所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：所述内表面上还包括有若干个短纤维，所述短纤维两端均与所述第一孔洞的内壁相连接，相邻第一孔洞之间通过短纤维相隔开,所述短纤维的平均直径为10
‑
40nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：在从内表面至外表面的膜厚度方向上，所述主体的平均孔径先增大再减小；所述主体包括分离层和支撑层，所述分离层的一侧为内表面，所述支撑层的一侧为外表面；所述支撑层包括第一缓冲区，所述第一缓冲区的平均孔径至少为第一孔洞的孔径宽度平均值的4倍以上；所述第一缓冲区到内表面的最近距离小于所述第一缓冲区到外表面的最近距离。7.根据权利要求6所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：所述分离层的厚度为0.5
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15μm，所述分离层厚度占膜平均厚度的0.5
‑
12.5％；所述分离层的孔隙率为10
‑
45％。8.根据权利要求7所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：所述第一缓冲区的平均孔径为1.5
‑
4.5μm；所述第一缓冲区的孔隙率为55
‑
90％；所述第一缓冲区到内表面的最近距离为15
‑
50μm，且第一缓冲区到内表面的最近距离随着第一孔洞的孔径宽度平均值的增大而减小；所述第一缓冲区的厚度为5
‑
18μm。9.根据权利要求6所述的一种用于生物大分子切向流过滤的中空纤维膜组件，其特征在于：所述第一缓冲区内具有形成多孔结构的第一纤维，所述第一纤维为条状结构；所述第一纤维的平均直径为80
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200nm；所述第一缓冲区的孔隙率至少比膜整体孔隙率大15％。所述第一缓冲区到内表面的最近距离占膜平均厚度的10
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40％；所述第一缓冲区的厚度占膜平均厚度的3.5

【专利技术属性】
技术研发人员：贾建东，黄盛，杨凯，
申请(专利权)人：杭州科百特过滤器材有限公司，
类型：发明
国别省市：