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Dokumentenidentifikation DE69424339T2 14.12.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0626193
Titel Positiv geladene Membran aus Polyvinylidenfluorid
Anmelder Pall Corp., East Hills, N.Y., US
Erfinder Degen, Peter John, Huntington, New York 11743, US;
Lee, Joseph, South Setauket, New York 11720, US
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWÄLTE GBR, 70182 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69424339
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.02.1994
EP-Aktenzeichen 943010884
EP-Offenlegungsdatum 30.11.1994
EP date of grant 10.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2000
IPC-Hauptklasse B01D 71/34
IPC-Nebenklasse B01D 67/00   

Beschreibung[de]
TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein positiv geladenes, mikroporöses Filtermedium, welches für die Behandlung einer Vielfalt von Zusammensetzungen, insbesondere pharmazeutischen und biologischen Lösungen, geeignet ist. Das vorliegende erfindungsgemäße Filtermedium ermöglicht bei der Filtration von Zusammensetzungen das Entfernen von unerwünschten Verunreinigungen wie etwa Bakterien, während das Durchtreten von erwünschten, positiv geladenen Spezies wie etwa Konservierungsmittel, bakterienhemmende Mittel und dergleichen mit dem Filtrat durch das Filter erlaubt wird.

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Mikroporöse Membranen sind auf dem Gebiet der Technik wohlbekannt. Solche Membranen sind für die ultrahohe Reinigung von Wasser für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleitern, für das Filtrieren von Farbzusammensetzungen, für das Reinigen von pharmazeutischen Produkten und für die Durchführung anderer, weitgehend voneinander abweichenden Funktionen verwendet worden. Mikroporöse Membranen können Porengrößen im Bereich von etwa 0,01 bis über 10 um aufweisen, daher sind sie für das Abtrennen von Teilchen von verschiedener Größe geeignet.

Filter werden typischerweise zum Abtrennen von suspendierten Verunreinigungen aus Fluiden verwendet, um das Durchtreten des gereinigten Fluids (Filtrat) zu ermöglichen. Ein Filter kann die Reinigung von Fluiden anhand verschiedener Mechanismen erzielen. Suspendierte Verunreinigungen können durch mechanisches Sieben entfernt werden, wobei Partikel, welche größer sind als die Porengröße des Filtermediums, aus dem Fluid abgetrennt werden. Bei diesem Mechanismus wird die Filtrationseffizienz im wesentlichen von der Größe der Verunreinigung im Verhältnis zu dem Porendurchmesser des Filtermediums bestimmt.

Ein anderer Mechanismus, durch welchen ein Filter die Reinigung eines Fluids erzielen kann, ist die Adsorption von suspendierten Verunreinigungen auf die Filteroberfläche. Die Abtrennung von Verunreinigungen anhand dieses Mechanismus wird durch die Oberflächeneigenschaften der suspendierten Verunreinigungen und durch das Filtermedium selbst bestimmt. Herkömmliche Filtermedien jedoch adsorbieren viele verschiedene Partikel, ohne zwischen ihnen zu unterscheiden. Dies ist insofern oft unerwünscht, als viele Filteranwendungen das Verbleiben von bestimmten Verbindungen in dem Filtrat anstelle des Adsorbierens an der Oberfläche des Filtermediums erfordern. Beispielsweise ist bei der Filtration von pharmazeutischen und biologischen Zusammensetzungen, um Verunreinigungen abzutrennen, typischerweise das Abtrennen von Konservierungsmitteln, bakterienhemmenden Mitteln und dergleichen aus der Zusammensetzung unerwünscht.

Bei der Filtration von Zusammensetzungen sind viele verschiedene Materialien für die Herstellung von Filtermedien verwendet worden. Als besonders nützlich haben sich Polymere wie etwa Polyamide, Polyester, Polyolefine und dergleichen erwiesen. Jedoch sind viele der Polymere, welche erwünschte Struktureigenschaften bieten, wie etwa Polyolefine, hydrophob oder wasserabweisend und sind daher für das Filtrieren von wäßrigen Medien bei geringem Fluiddruck nicht gut geeignet. Um solche Filtermedien für die Filtration von wäßrigen Medien besser geeignet zu machen, sind Verfahren entwickelt worden, wodurch die Oberflächen der Filtermedien hydrophil gemacht werden. Beispielsweise kann eine Polyvinylidenfluoridmembran (PVDF-Membran), welche von Natur aus hydrophob ist, mit einer starken alkalischen Lösung in Kombination mit einem Oxidationsmittel behandelt werden, um sie hydrophil zu machen. Bei diesem bestimmten Verfahren wird angenommen, daß die Base Wasserstoff- Fluorid freisetzt und daß das Oxidationsmittel eine polare Gruppe am Grundgerüst des PVDF einführt, wodurch die Oberfläche hydrophil wird. Dieses Verfahren ist jedoch insofern von Nachteil, als es bewirkt, daß das Filtermedium eine hohe Affinität für positiv geladene Konservierungsmittel, bakterienhemmende Mittel und dergleichen in Fluiden, welche unter Verwendung dieses Filtermediums behandelt werden, aufweist, wodurch solche Spezies zurückgehalten werden, anstatt wünschenswerterweise mit dem Filtrat durchgelassen zu werden.

Versuche, solche Nachteile zu verbessern, sind nicht von Erfolg gekrönt gewesen. Beispielsweise ist ein Überschuß positiv geladener, quaternärer Ammoniumverbindungen durch Ionenbindungen an ein PVDF-Filtermedium gebunden worden, um die Affinität von positiv geladenen Konservierungsmitteln, bakterienhemmenden Mitteln und dergleichen für das PVDF-Filtermedium zu verringern. Dieses Filtermedium weist jedoch den Nachteil auf, daß die quaternären Ammoniumverbindungen anfällig gegen Auswaschen sind, wodurch ein solches Filtermedium für Anwendungen, bei welchen die Menge extrahierbarer Substanzen auf ein Minimum beschränkt werden muß, ungeeignet gemacht wird.

Andere Filtermedien sind als nützlich bei dem Abtrennen von bakteriellen Endotoxinen und Heparin aus dem Blut offenbart worden. Diese Filtermedien umfassen eine Substrat-Matrix, auf welche quaternäre Ammoniumverbindungen gebunden worden sind. Die Substrat-Matrix kann aus jedem geeigneten Material wie etwa einem Polyamid, Polyester, Polyolefin, Polysulfon, Polyarylenoxid, Polyarylensulfid und ungesättigten Nitrilen, hergestellt werden. Viele dieser Filtermedien sind jedoch für Anwendungen, bei welchen erwünscht ist, daß positiv geladene Spezies wie etwa Konservierungsmittel, bakterienhemmende Mittel und dergleichen, durch das Filtermedium durchtreten und in dem Filtrat verbleiben, nicht gut geeignet. Beispielsweise halten Polyamide, welche mit quaternären Ammoniumverbindungen behandelt wur den, unerwünschterweise solche positiv geladenen Spezies zurück.

Eine wichtige industrielle Verwendung von mikroporösen Filtern besteht bei der Herstellung von pharmazeutischen und biologischen Zusammensetzungen, beispielsweise von in der Augenheilkunde verwendeten Lösungen. In der Augenheilkunde verwendete Lösungen für Kontaktlinsen und medizinische Augenbehandlungen enthalten typischerweise eine geringe Menge (ungefähr 0,01%) an Konservierungsmitteln wie etwa Benzalkoniumchlorid (BAK), quaternäre Ammoniumverbindungen und dergleichen. Während der Filtration werden diese Konservierungsmittel in unterschiedlichem Maß an der Oberfläche eines herkömmlichen Filtermediums adsorbiert, wodurch die Konzentration der Konservierungsmittel in dem Filtrat auf unerwünschte und/oder unbekannte Niveaus gesenkt wird. Eine solche Adsorption stellt einen signifikanten Nachteil herkömmlicher Filtermedien dar.

Daher besteht ungeachtet der großen Vielfalt von auf dem Gebiet der Technik bekannten mikroporösen Filtermedien ein Bedarf an einem hydrophilen Filtermedium, welches für die Verwendung bei pharmazeutischen und biologischen Anwendungen geeignet ist, bei welchen von der Filtration von Zusammensetzungen verlangt wird, daß Verunreinigungen wie etwa Bakterien abgetrennt werden, während erwünschte, positiv geladene Spezies wie etwa BAK zusammen mit dem Filtrat durchtreten gelassen werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein solches Filtermedium zur Verfügung.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines mikroporösen Filtermediums, welches hydrophil und somit für die Filtration von wäßrigen Medien ohne Anwendung von beträchtlichem Druck geeignet ist. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Filtermediums, welches eine positiv geladene Oberfläche mit minimaler Anfälligkeit für das Extrahieren des Mittels, welches der Membran eine positive Ladung verleiht, aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Filter mediums, welches für die Filtration von pharmazeutischen und biologischen Zusammensetzungen wie etwa in der Augenheilkunde verwendete Lösungen geeignet ist, wobei erwünschte, positiv geladene Spezies wie etwa BAK durch das Filtermedium durchtreten und in dem Filtrat vorhanden sind.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sowie zusätzliche erfindungsgemäße Merkmale werden aus der hier vorliegenden Beschreibung der Erfindung klar erkennbar sein.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt ein Filtermedium bereit, umfassend eine mikroporöse Polyvinylidenfluoridmembran und ein Polymer, welches mindestens ca. 50 Gew.-% eines Monomeren umfaßt, welches positiv geladene quaternäre Ammoniumgruppen enthält, welche kovalent an die Membran gebunden sind. Das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Polymer wird aus einem oder mehr geeigneten Monomeren, vorzugsweise Diallyldimethylammoniumchlorid, hergestellt. Das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Monomer wird vorzugsweise mit einem Acrylat, insbesondere Hydroxyethylmethacrylat, polymerisiert und das Polymerisationsverfahren und die kovalente Bindung an die Membran werden vorzugsweise mittels Gammastrahlen-Pfropfung bewirkt. Es wurde gefunden, daß das vorliegende erfindungsgemäße mikroporöse Filtermedium überraschenderweise bei der Behandlung von pharmazeutischen und biologischen Zusammensetzungen zum Abtrennen von unerwünschten Verunreinigungen, während das Verbleiben von anderen, erwünschten Spezies in dem Filtrat erlaubt wird, ganz nützlich ist.

Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Behandeln von Zusammensetzungen, insbesondere pharmazeutischen und biologischen Zusammensetzungen, durch Filtern solcher Zusammensetzungen mit dem Filtermedium der vorliegenden Erfindung zur Verfügung. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ermög licht das Abtrennen von unerwünschten Verunreinigungen aus pharmazeutischen und biologischen Zusammensetzungen, während erwünschte positiv geladene Spezies wie etwa Konservierungsmittel, bakterienhemmende Mittel und dergleichen durch das Filtermedium durchtreten und daher in dem Filtrat vorhanden sein können.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das vorliegende erfindungsgemäße Filtermedium umfaßt eine mikroporöse Polyvinylidenfluoridmembran und ein Polymer, welches wenigstens ca. 50 Gew.-% eines Monomeren umfaßt, welches positiv geladene quaternäre Ammoniumgruppen enthält, die kovalent an die Membran gebunden sind.

Überraschenderweise ist gefunden worden, daß das Filtermedium der vorliegenden Erfindung besonders für die Verwendungen bei Filtrationsanwendungen geeignet ist, bei welchen Verunreinigungen aus der Zusammensetzung abgetrennt werden müssen, ohne erwünschte, positiv geladene Spezies wie etwa Konservierungsmittel, bakterienhemmende Mittel und dergleichen in wesentlichem Ausmaß abzutrennen, welche vorzugsweise im wesentlichem in dem Filtrat verbleiben. Solche Spezies umfassen positiv geladene Konservierungsmittel und bakterienhemmende Mittel, wie etwa Benzalkoniumchlorid (BAK), Methylparaben (MPB), Propylparaben (PPB), Cetylpyridiniumchlorid (Cetamium®), Methylbenzethoniumchlorid (Hymamine® 10X) und Chlorhexidin (Nolvasan®), insbesondere quaternäre Ammoniumverbindungen.

Mikroporöse Membran

Die mikroporöse Membran wird aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) unter Verwendung herkömmlicher, auf dem Gebiet der Technik bekannter Verfahren hergestellt. Die mikroporöse Membran kann jede geeignete Porengröße aufweisen, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,05 bis ungefähr 5 um, noch bevorzugter im Bereich von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,45 um.

Quaternäre Ammoniumgruppen enthaltendes Polymer

Das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Polymer kann ein jedes Polymer sein, welches der mikroprösen Membran eine positive Ladung verleiht. Das Polymer verringert die Fähigkeit der mikroporösen Membran, Konservierungsmittel, bakterienhemmende Mittel und dergleichen zu adsorbieren, und vorzugsweise macht es die mikroporöse Membran hydrophil.

Das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Polymer kann aus jedem polymerisierbaren, ethylenisch ungesättigten Monomer, welches entweder eine quaternäre Ammoniumgruppe enthält oder welches in eine solche Gruppe umgewandelt werden kann, hergestellt werden. Beispielsweise kann das Monomer primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppen enthalten, welche vor dem Pfropfen quaternisiert werden können oder welche nach dem Binden an die Membran in situ quaternisiert werden können. Geeignete Monomere umfassen die quaternisierten Derivative von Aminoalkylacrylaten und -methacrylaten, quaternisierte Aminoalkylacrylamide und - methacrylamide wie etwa Methacrylamidopropyl-trimethylammoniumchlorid (MAPTAC), Styrolverbindungen und Vinylverbindungen wie etwa Diallyldimethylammoniumchlorid (DADMAC).

DADMAC wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt. Es ist das am wenigsten toxische der erhältlichen quaternären Materialien, seine Bindung an die Membran ist nicht hydrolisierbar und es liefert beim Filtern von pharmazeutischen und biologischen Lösungen, welche Konservierungsmittel, bakterienhemmende Mittel und dergleichen enthalten, insofern hervorragende Ergebnisse, als es das Durchtreten dieser Verbindungen durch die mikroporöse Membran ohne signifikante Adsorption auf die Membran erlaubt.

Das Polymer wird typischerweise aus einem oder mehreren anderen Monomeren zusammen mit der quaternären Ammoniumverbindung hergestellt. Beispielsweise kann das Polymer aus dem ethylenisch ungesättigten, quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomer und einem polaren nichtionischen Monomer hergestellt werden. Das Polymer wird vorzugsweise aus einer quaternären Ammoniumverbindung zusammen mit einem oder mehr polaren, wasserstoffbindenden, nichtionischen und/oder ethylenisch ungesättigten Monomeren hergestellt. Ein solches Monomer kann völlig inert sein oder kann funktionelle Gruppen enthalten, welche zusätzliche erwünschte Eigenschaften verleihen oder die schon durch die quaternären Ammoniumgruppen verliehenen Oberflächeneigenschaften einstellen oder bestimmen, vorausgesetzt, daß diese funktionellen Gruppen nicht das Funktionieren des Filtermediums stören. Geeignete zusätzliche Monomere umfassen polare, nichtionische Monomere wie etwa Hydroxyl enthaltende Monomere, insbesondere Acrylate und Methacrylate, beispielsweise Hydroxypropylacrylat (HPA), Hydroxyethylacrylat (HEA), Diethylenglycoldiacrylat (DEGDA), Hydroxyethylmethacrylat (HEMA), Polyethylenglycoldimethacrylat (PEGDM), Hydroxypropylmethacrylat (HPMA) und Diethylenglycoldimethacrylat (DEGDMA), welche polare, wasserstoffbindende Funktionalitäten enthalten und dazu neigen, der mikroporösen Membran hydrophile Eigenschaften zu verleihen. Die Monomere HPA und HEMA, wobei HEMA am meisten bevorzugt wird, werden zusammen mit dem quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomer verwendet. Das Einschließen eines Monomeren mit einer hydrophoben Komponente wie etwa Methylmethacrylat kann selbstverständlich erfolgen, um eine genaue Einstellung oder Kontrolle der schließlich erhaltenen hydrophilen Eigenschaften der Membran durch das Abschwächen des Effekts von hydrophile Gruppen enthaltenden Monomeren zu erhalten.

Es ist nur erforderlich, daß das Polymer genug quaternäre Ammoniumgruppen enthält, um das auf der Oberfläche der mikroporösen Membran inhärente negative Potential zu überwinden. Die erforderliche Menge kann durch die Bildung einer dünnen Polymerschicht, welche einen großen Anteil an quaternären Ammonium gruppen enthält, erzielt werden. Die Bildung einer sehr dicken Beschichtung auf der mikroporösen Membran ist unerwünscht, da das Polymer die Poren der Membran teilweise blockieren und die Permeabilität des Filtermediums verringern kann. Daher ist erwünscht, daß das Polymer einen möglichst hohen Anteil an quaternären Ammoniumgruppen enthält, damit die Polymerschicht so dünn wie möglich sein kann, während sie dennoch dem in der mikroporösen Membran inhärenten negativen Potential entgegenwirkt. Das Polymer umfaßt wenigstens ca. 50 Gew.-% des quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomeren, vorzugsweise ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 85 Gew.-% des quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomeren. Besonders bevorzugterweise umfaßt das Polymer ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 70 Gew.-% an quaternäre Ammoniumgruppen enthaltendem Monomer. Die restliche Menge des Polymers umfaßt das nichtionische polare Monomer. Der Stickstoffgehalt des Polymers umfaßt vorzugsweise wenigstens ungefähr 4 Gew.-%.

Binden es Polymers an die Membran

Das Filtermedium der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß die mikroporöse Membran mit den Monomeren in Kontakt gebracht wird, welche polymerisiert werden, um das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Polymer so zu bilden, daß das Polymer kovalent an die mikroporöse Membran gebunden wird. Noch bevorzugter wird die mikroporöse Membran ionisierender Strahlung ausgesetzt und dann mit einer Pfropflösung, welche ein oder mehr polymerisierbare, ethylenisch ungesättigte Monomere umfaßt, von welchen wenigstens einige quaternäre Ammoniumgruppen enthalten, so in Kontakt gebracht, daß das Monomer oder die Monomere polymerisiert wird/werden, um eine Polymerschicht auf allen mit dem Fluid in Kontakt kommenden Oberflächen der mikroporösen Membran zu bilden. Der Gehalt an quaternären Ammoniumgruppen enthaltendem Monomer in der Pfropflösung kann jede geeignete Menge sein, vorzugsweise ungefähr 1-50 Vol.%, noch bevorzugter ungefähr 10-35 Vol.%, insbesondere dann, wenn das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Monomer DADMAC und das Lösemittel Wasser ist. Wenn andere Monomere wie etwa HEMA mit dem quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomer verwendet werden, liegt das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Monomer vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 1 - 50 Vol.%, noch bevorzugter ungefähr 5-20 Vol.% und am meisten bevorzugt ungefähr 5-20 Vol.% vor, und andere Monomere liegen vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 0,1-5 Vol.%, noch bevorzugter ungefähr 0,5-4 Vol.%, und am meisten bevorzugt ungefähr 1-3 Vol.% vor.

Das Volumenverhältnis von quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomeren zu anderen Monomeren in der Pfropflösung, wenn solche anderen Monomere vorhanden sind, liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 20 : 1 bis ungefähr 2 : 1. Noch bevorzugter beträgt dieses Verhältnis ungefähr 15 : 1 bis ungefähr 3 : 1, und am meisten bevorzugt wird ein Verhältnis von ungefähr 10 : 1.

Für die Herstellung der Pfropflösung können das Monomer oder die Monomere in jedem Lösemittel oder jeder Lösemittelkombination, welche(s) alle Monomere zusammen auflösen kann und welche s) die Bildung der Polymerschicht auf der mikroporösen Membran nicht stört, gelöst werden. Das bevorzugte Lösemittel ist Wasser. Wenn die Monomere nicht gänzlich in Wasser löslich sind, kann eine Menge eines mit Wasser mischbaren inerten organischen Verschnittmittels wie etwa 2-Methylpropan-2-ol in einer für die vollständige Auflösung der Monomere ausreichenden Menge dazugegeben werden.

Das quaternäre Ammoniumgruppen enthaltende Polymer wird dadurch gebildet, daß die mikroporöse Membran in Anwesenheit der Monomerlösung ionisierender Strahlung ausgesetzt wird. Jede Quelle ionisierender Strahlung kann verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Strahlung eine Pfropfpolymerisation auslösen kann. Gammastrahlung und Bestrahlung mittels Elektronenstrahlen werden bevorzugt. Besonders bevorzugt wird Gammastrahlung von einer &sup6;&sup0;Co-Quelle. Bestrahlung mit jeder Dosisrate ist akzeptabel, vorausgesetzt, daß dadurch eine Membran mit den erwünschten Oberflächeneigenschaften gebildet werden kann und die Membran durch die Strahlung nicht beschädigt wird. Dosisraten von ungefähr 10 Gy/h bis ungefähr 10000 Gy/h (ungefähr 1 bis ungefähr 1000 Kilorad/h) und vorzugsweise von ungefähr 50 Gy/h bis ungefähr 1000 Gy/h (ungefähr 5 bis ungefähr 100 Kilorad/h) können verwendet werden. Im allgemeinen können höhere Dosisraten bei der Bildung eines Polymers auf Substanzen, welche anscheinend schlecht mit dem quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomer reagieren, wenn keine anderen Comonomeren anwesend sind, effektiv sein. Gesamtdosen im Bereich von ungefähr 0,5 kGy bis ungefähr 50 kGy (ungefähr 0,05 bis ungefähr 5 Megarad), noch typischerweise im Bereich von 2 kGy bis 20 kGy (ungefähr 0,02 bis 2 Megarad) sind üblicherweise ausreichend, um die erwünschte Polymerisation und Bindung zu bewirken.

Die mikroporöse Membran kann mit der polymerisierbaren Monomerlösung durch jedes geeignete Mittel in Kontakt gebracht werden, etwa durch Eintauchen in die Monomerlösung. Alternativ kann das Durchtreten der Monomerlösung durch die mikroporöse Membran durch Anwenden von Druck über der Membran erzwungen werden, um den Durchfluß zu beginnen oder um die Effizienz des Benetzungsprozesses zu erhöhen. Auf jeden Fall sollte der gesamte Oberflächenbereich der mikroporösen Membran, der mit Fluid in Kontakt kommt, während der Herstellung des Filtermediums mit einer überschüssigen Menge der Monomerlösung in Kontakt kommen, um ein vollständiges Bedecken der Oberfläche mit dem gepfropften Polymer sicherzustellen.

Nach der Bestrahlung und Polymerisation wird das Filtermedium mit Wasser gewaschen, um Polymerreste, die nicht an die Membran gebunden sind, zu entfernen. Jede Art des Waschens, bei welcher Wasser über die gesamte Membranoberfläche fließen gelassen wird, ist geeignet, vorausgesetzt, es wird in ausreichendem Maß durchgeführt, um die gesamten nichtgebundenen Reste zu entfernen. Besonders effektiv für das Waschen des Filtermediums ist das Fließenlassen von entionisiertem Wasser durch die Membran über einen Zeitraum von ungefähr 5 Stunden bei einer Fließrate von ungefähr 0,47 dm³/Minute (ungefähr 1/8 Gallone pro Minute (gpm)) für 92,9 dm² (10 Quadratfuß) der Membranoberfläche.

Nach dem Waschen kann das Filtermedium entwässert und/oder getrocknet und weiteren Behandlungen unterworfen werden. Bedingungen für das Trocknen von bis zu ungefähr 100ºC über einen Zeitraum bis ungefähr 14 Stunden haben sich als befriedigend erwiesen, obwohl üblicherweise weniger Zeit ausreicht, um die erwünschte Trocknung des Filtermediums zu bewirken.

Filterelemente

Jedes geeignete Filterelement kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Filtermediums hergestellt werden. Im einzelnen können Filterkartuschen hergestellt werden, wobei das vorliegende erfindungsgemäße Filtermedium entweder ohne Träger oder in abwechselnder Schichtung mit Tragschichten, insbesondere Tragschichten aus Nonwoven-Material, welche als Trag- und Drainageschichten dienen, verwendet wird.

Messung der Porengröße

Die Porengrößen der hier beschriebenen Filtermedien wurden unter Verwendung des in U.S.-Patent 4,340,479 dargelegten KL- Tests bestimmt.

CWST-Messung

Die kritische Oberflächenbenetzungsspannung (CWST) eines porösen Mediums ist die Oberflächenspannung zwischen derjenigen der Flüssigkeit, welche aufgesogen wird, und derjenigen der Flüssigkeit, welche nicht innerhalb eines vorher bestimmten Zeitraums von dem porösen Medium aufgesogen wird. Daher benetzen Flüssigkeiten mit Oberflächenspannungen, welche unter der CWST eines porösen Mediums liegen, das Medium spontan, wenn sie mit diesem in Kontakt kommen, und wenn das Medium porös ist, fliessen sie leicht durch dieses hindurch. Andererseits ist es möglich, daß Flüssigkeiten mit einer Oberflächenspannung, welche höher ist als die CWST eines porösen Mediums, bei niedrigen Differenzdrücken gar nicht durchfließen und bei ausreichend hohen Differenzdrücken ungleichmäßig durchfließen. Wie in dem U.S.-Patent 4,880,548 beschrieben, kann die CWST eines porösen Mediums durch tropfenweises Aufbringen einer Reihe von Flüssigkeiten mit Oberflächenspannungen, welche um 20 bis 40 uN/cm (2 bis 4 Dyn/cm) variieren, und Beobachten der Absorption oder Nichtabsorption jeder Flüssigkeit über einen Zeitraum bestimmt werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung noch weiter und sollten selbstverständlich nicht als wie auch immer geartete Beschränkung des Rahmens der Erfindung ausgelegt werden.

Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert die Herstellung des Filtermediums der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel werden auch die hydrophilen Eigenschaften des vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermediums mit einem gleichartigen Filtermedium, auf welches kein quaternäre Ammoniumgruppen enthaltendes Polymer aufgepfropft wurde.

Jeweils 6,096 m (zwanzig Fuß) eines trägerlosen mikroporösen Polyvinylidenfluorids mit zwei verschiedenen Porengrößen, nämlich 0,05 Mikrometer und 0,2 Mikrometer, wurden mit Methanol benetzt und mit Reemay® Interleaf 2250 zu einer Rolle aufgerollt. Jede dieser Rollen wurde in eine separate Teströhre, welche 6 Vol.% DADMAC, 1,5 Vol.% PEGDM 600 und 92,5 Vol.% entionisiertes Wasser enthielt, eingeführt. Ein Vakuum wurde ange legt und jede Teströhre wurde mit einem Stöpsel dicht verschlossen und in einer Co-Kammer mit einer Dosis von 600 Gy/h (60000 rad/h) 30 Stunden lang bei 26,7ºC (80ºF), also mit einer Gesamtstrahlendosis von 18 kGy (1,8 Mrad), bestrahlt. Das gepfropfte Medium aus jeder Teströhre wurde in einem Trog mit entionisiertem Wasser 4 Stunden lang gewaschen, um nichtumgesetztes Monomer zu entfernen, und bei 100ºC 10 Minuten lang getrocknet.

Die hydrophilen Eigenschaften jedes dieser Filtermedien wurde durch Bestimmen der CWST jedes Filtermediums evaluiert. Die CWST-Werte der Filtermedien der vorliegenden Erfindung wurden dann mit der CWST von Filtermedien verglichen, welche aus unbehandelten PVDF-Filtermedien mit denselben Porengrößen hergestellt worden waren. Die erhaltenen Werte für jedes dieser verschiedenen Filtermedien sind im folgenden angeführt.

Die erfindungsgemäßen Filtermedien (Proben Nr. 1-2) erwiesen sich als sofort mit Wasser benetzbar und in Bezug auf hydrophile Eigenschaften, als CWST gemessen, den unbehandelten PVDF- Filtermedien mit gleichen Porengrößen (Proben Nr. 3-4) weit überlegen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von erfindungsgemäßen Filtermedien unter Verwendung eines Polymers, welches aus verschiedenen Monomerkonzentrationen gebildet wird.

Lagen von trägerlosem mikroporösem PVDF mit einer Porengröße von 0,2 Mikrometer wurden mit Methanol benetzt und mit zwischengelegtem Reemay® 2250 zu Rollen aufgerollt. Diese Rollen wurde in Teströhren, welche eine wäßrige Lösung aus 1,5 Vol.% PEGDM 600 und entweder 3, 4, 6 oder 9 Vol.% DADMAC enthielten, eingeführt. Ein Vakuum wurde angelegt, um verbliebenen Sauerstoff aus den Teströhren zu entfernen, und jede Teströhre wurde verstöpselt und in einer &sup6;&sup0;Co-Kammer mit einer Dosis von 600 Gy/h (60000 rad/h) 30 Stunden lang bei 26,7ºC (80ºF), also mit einer Gesamtstrahlendosis von 18 kGy (1,8 Mrad), bestrahlt. Das gepfropfte Medium aus jeder Teströhre wurde in einem Trog mit entionisiertem Wasser 4 Stunden lang gespült, um nichtumgesetztes Monomer zu entfernen, und bei 100ºC 10 Minuten lang getrocknet.

Die hydrophilen Eigenschaften jedes dieser Filtermedien wurde durch Bestimmen der CWST jedes Filtermediums evaluiert. Der in 1/min/dm² gemessene Fluß von Wasser durch jedes dieser Filtermedien bei 27,6 kPa (4 psi) wurde ebenfalls bestimmt und verglichen. Die erhaltenen CWST- und Wasserdurchflußwerte für jedes dieser verschiedenen Filtermedien sind im folgenden angeführt.

Die erfindungsgemäßen Filtermedien (Proben Nr. 5-8) erwiesen sich als sofort mit Wasser benetzbar und zeigten gute Wasserdurchflußeigenschaften. Als sich die Konzentration des quaternäre Ammoniumgruppen enthaltenden Monomers (d. h. DADMAC) erhöhte, nahm der Wasserdurchfluß ab.

Beispiel 3

Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von Filtermedien gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines aus verschiedenen Monomer-Kombinationen gebildeten Polymers. Die CWST, Porengröße und Wasserdurchflußeigenschaften der Filtermedien wurden evaluiert und verglichen.

Lagen von trägerlosem mikroporösem PVDF mit einer Porengröße von 0,2 Mikrometer wurden mit Methanol benetzt und mit Reemay® Interleaf 2250 zu Rollen aufgerollt. Diese Rollen wurde in Teströhren, welche eine wäßrige Lösung aus 6 Vol.% DADMAC, 25 Vol.% t-Butyl-Alkohol (TBA), 1 Vol.% Diethylenglycoldimethacrylat (DEGDMA) und entweder 0, 0,4 oder 0,8 Vol% HEMA enthielten, eingeführt. Ein Vakuum wurde angelegt, um verbliebenen Sauerstoff aus den Teströhren zu entfernen, und jede Teströhre wurde verstöpselt und in einer &sup6;&sup0;Co-Kammer mit einer Dosis von 50 Gy/h (50000 rad/h) entweder 20 oder 40 Stunden lang bei 26,7ºC (80ºF), also mit einer Gesamtstrahlendosis von entweder 10 kGy (1,0 Mrad) (Proben Nr. 9, 11 und 13) oder 20 kGy (2,0 Mrad) (Proben Nr. 10, 12 und 14), bestrahlt. Das gepfropfte Medium aus jeder Teströhre wurde in einem Trog mit entionisiertem Wasser 4 Stunden lang gespült, um nichtumgesetztes Monomer zu entfernen, und bei 100ºC 10 Minuten lang getrocknet.

Die CWST, die durch den KL-Test (H&sub2;O) festgestellte Porengröße, und die Wasserdurchflußeigenschaften bei 13,8 und 27,6 kPa (2,0 und 4,0 psi) für jedes dieser Filtermedien wurden bestimmt und verglichen. Die erhaltenen Werte für jedes dieser verschiedenen Filtermedien sind im folgenden angeführt.

Diese Ergebnisse zeigen, daß die vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermedien (Proben Nr. 9-14) unter Verwendung einer Vielzahl von Monomerkombinationen hergestellt werden können und daß das Pfropfen zusammen mit HEMA die hydrophilen Eigenschaften des Filtermediums verbessern hilft. Ferner scheint die Strahlungsdosis die Eigenschaften des Filtermediums nicht zu beeinflussen.

Beispiel 4

Dieses Beispiel erläutert die Verwendung des vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermediums für die Behandlung von BAK-enthaltenden Lösungen und vergleicht die Verwendung eines solchen Filtermediums mit ähnlichen Filtermedien, welche nicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.

BAK-enthaltende Lösungen wurden durch das vorliegende erfindungsgemäße PVDF-Filtermedium aus Beispiel 1 (Probe Nr. 1), das unbehandelte PVDF-Filtermedium aus Beispiel 1 (Probe Nr. 3) und ein im Handel erhältliches, behandeltes PVDF Filtermedium mit einer negativen Ladung (Millipore Durapore® Filtermedium) gefiltert. Im einzelnen wurde eine BAK-Menge von 50-200 ppm in steriler Kochsalzlösung bei einer Fließrate von 9 ml/min/Scheibe durch die Filtermedien geleitet, wobei die Filterscheibe einen Durchmesser von 47 mm aufwies. Die BAK-Konzentration wurde sowohl aufstrom- als auch abstromseitig bei 210, 242 und 260 nm unter Verwendung eines UV-Spektrometers gemessen. Die erhaltenen Daten wurden dann auf eine in Prozent ausgedrückte Rückgewinnung wie folgt normiert:

% Rückgewinnung = ([abstromseitiges BAK] / [aufstromseitiges BAK])

Die jeweilige für die abstromseitige BAK-Konzentration von 80 und die aufstromseitige BAK-Konzentration von 98 erforderliche Zeit wurde auch für jedes Filtermedium bestimmt.

Der Test wurde durchgeführt, wobei eine Konzentration an der Ausgangslinie (aufstromseitige Konzentration) während einer Fließzeit von drei Minuten gemessen wurde. Nachdem diese Ausgangslinienkonzentration bestimmt worden war, wurde die Lösung mit dieser aufstromseitigen Konzentration durch das Filtermedium geleitet und die Konzentration von BAK in dem Filtrat (abstromseitig) wurde über eine Zeitdauer von 30 Minuten gemessen. Die aufstromseitige Konzentration wurde dann erneut gemessen, um Genauigkeit zu gewährleisten. Die erhaltenen Ergebnisse sind im folgenden angeführt.

Diese Ergebnisse zeigen, daß das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte PVDF-Filtermedium (Probe Nr. 1) hinsichtlich der BAK-Rückgewinnung ein viel besseres Leistungsverhalten zeigte als die PVDF-Filtermedien, welche nicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden waren (Probe Nr. 3 und Durapore®).

Beispiel 5

Dieses Beispiel erläutert die verringerte Konservierungsmitteladsorption von PFDF-Filtermedien der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem ungepfropften PVDF-Filtermedium.

BAK-enthaltende Lösungen wurden durch die vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermedien von Beispiel 3 sowie durch das PVDF- Kontrollmedium von Beispiel 1 gefiltert. Die Testlösungen enthielten 200 ppm BAK und wurden bei einer Fließrate von 9 ml/min/Scheibe, wobei die Scheibe einen Durchmesser von 47 mm aufwies, durch die Filtermedien geleitet. Die Messungen von BAK auf der Aufstromseite und der Abstromseite der Filtermedien wurden wie in Beispiel 4 angegeben durchgeführt.

Die Mengen des an die Filtermedien gebundenen BAK wurden unter Verwendung des Peak-Bestimmungsverfahrens ermittelt, d. h. durch Wiegen der relativen Massen von Papier (gebunden versus ungebunden), welches von dem Ausdruck der kinetischen Kurve der Konzentration (% Rückgewinnung) ausgeschnitten wurde. Auf der Grundlage der bekannten Fließrate, der eingegebenen Konzentration und des Zeitraums bis zur Sättigung konnte die Gesamtmenge in Gramm der BAK-Challenge-Menge im Verhältnis zu der bekannten Masse jedes der Filtermedien bestimmt werden. Dies ermöglichte die Berechnung der Bindungsniveaus im Gleichgewichtszustand als Gramm gebundenen BAKs/Gramm Filtermedium (ausgedrückt als % BAK-Bindung), um Variationen bei der Dicke der Filtermedien zu kompensieren.

Die erhaltenen, in % angegebenen BAK-Bindungsergebnisse für jedes der Filtermedien sind im folgenden angeführt.

Probe Nr. BAK-Bindung

9 2,1%

10 2,1%

11 3,2%

12 1,3%

13 2,7%

14 2,6%

3 8,4%

Diese Ergebnisse zeigen, daß die BAK-Bindung bei den vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermedien (Proben Nr. 9-14) im Vergleich mit dem ähnlichen Filtermedium, welches nicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden war (Probe Nr. 3), stark verringert ist.

Beispiel 6

Dieses Beispiel erläutert ferner die verringerte Konservierungsmitteladsorption von PVDF-Filtermedien der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem ungepfropften PVDF-Filtermedium.

Lösungen, welche als Konservierungsmittel Methylparaben (MPB) enthielten, wurden durch das vorliegende erfindungsgemäße Filtermedium von Beispiel 1 sowie durch andere ähnliche PVDF-Filtermedien, welche entweder keine Ladung (unbehandelte PVDF-Filtermedien) oder eine negative Ladung (Pall Fluorodyne®-Filtermedien) aufwiesen, gefiltert. Die Porengrößen aller Filtermedien waren dieselben. Die Testlösungen enthielten 6 ppm MPB und wurden bei einer Fließrate von 5 ml/min/Scheibe, wobei die Scheibe einen Durchmesser von 47 mm aufwies, durch die Filtermedien geleitet. Die Messungen von MPB auf der Aufstromseite und der Abstromseite der Filtermedien wurden auf eine ähnliche Weise wie diejenige für BAK, wie in Beispiel 4 angegeben, durchgeführt.

Die Mengen des an die Filtermedien gebundenen MPB wurden unter Verwendung des Verfahrens zur Peak-Bestimmung ermittelt, d. h. durch Wiegen der relativen Massen von Papier (gebunden versus ungebunden), welches von dem Ausdruck der kinetischen Kurve der Konzentration (% Rückgewinnung) geschnitten wurde. Auf der Grundlage der bekannten Fließrate, der eingegebenen Konzentration und des Zeitraums bis zur Sättigung konnte die Gesamtmenge in Gramm der MPB-Challenge-Menge im Verhältnis zu der bekannten Masse jedes der Filtermedien bestimmt werden. Dies ermöglichte die Berechnung der Bindungsniveaus im Gleichgewichtszustand als Gramm gebundenen MPBs/Gramm Filtermedium (ausgedrückt als % MPB-Bindung), um Variationen bei der Dicke der Filtermedien zu kompensieren.

Die erhaltenen, in % angegebenen MPB-Bindungsergebnisse für jedes der Filtermedien sind im folgenden angeführt.

Diese Ergebnisse zeigen, daß die MPB-Bindung bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermedium (Probe Nr. 1) im Vergleich mit den ähnlichen Filtermedien, welche nicht gemäß der vorlie genden Erfindung hergestellt worden waren (Proben Nr. 15-18), stark verringert ist.

Beispiel 7

Dieses Beispiel erläutert die Eigenschaften des vorliegenden erfindungsgemäßen PVDF-Filtermediums bezüglich der verringerten Konservierungsmitteladsorption im Vergleich zu unbehandelten PVDF- und Nylon-Filtermedien.

Die BAK-Adsorptionseigenschaften des vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermediums von Beispiel 1 wurden mit denjenigen von unbehandelten PVDF- und Nylon-Filtermedien auf die in Beispiel 4 angegebene Weise verglichen. Die erhaltenen, in % angegebenen BAK-Bindungsergebnisse sind im folgenden angeführt.

Diese Ergebnisse zeigen die Überlegenheit des vorliegenden erfindungsgemäßen Filtermediums (Probe Nr. 1) bezüglich der Zu rückhaltung von BAK im Vergleich zu anderen Filtermedien (Proben Nr. 19-21).

Diese Erfindung ist zwar unter Betonung von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden, doch wird Fachleuten auf dem Gebiet der Technik klar sein, daß Variationen der bevorzugten Ausführungsformen verwendet werden können und daß die Erfindung auch auf andere Art als spezifisch hierin beschrieben in der Praxisverwendet werden kann.


Anspruch[de]

1. Filtermedium, umfassend eine mikroporöse Polyvinylidenfluoridmembran und ein Polymer, welches mindestens ca. 50 Gew.-% eines Monomeren enthält, welches positiv geladene quaternäre Ammoniumgruppen enthält, welche kovalent an die Membran gebunden sind.

2. Filtermedium nach Anspruch 1, worin das Polymer aus einem ethylenisch ungesättigten Monomer, welches eine quaternäre Ammoniumgruppe enthält, und einem polaren, nichtionischen Monomer hergestellt ist.

3. Filtermedium nach Anspruch 2, worin das Volumenverhältnis des ethylenisch ungesättigten, eine quaternäre Ammoniumgruppe enthaltenden Monomeren und des polaren, nichtionischen Monomeren ca. 3 : 1 bis ca. 15 : 1 beträgt.

4. Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Polymer aus Diallyldimethylammoniumchlorid hergestellt ist.

5. Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Polymer aus Diallyldimethylammoniumchlorid und einem Acrylat oder Methacrylat hergestellt ist.

6. Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Polymer aus Diallylmethylammoniumchlorid, einem Acrylat und einem Methacrylat hergestellt ist.

7. Filtermedium nach Anspruch 6, worin das Acrylat ausgewählt ist aus Hydroxypropylacrylat, Hydroxyethylacrylat und Diethylenglycoldiacrylat und das Methacrylat ausgewählt ist aus Hydroxyethylmethacrylat, Polyethylenglycoldimethacrylat 600, Hydroxypropylmethacrylat und Diethylenglycoldimethacrylat.

8. Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Polymer hergestellt ist aus Diallyldimethylammoniumchlorid und Hydroxyethylmethacrylat.

9. Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Polymer hergestellt ist aus Diallylmethylammoniumchlorid und Polyethylenglycoldimethacrylat 600.

10. Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Membran einer Gammastrahlung ausgesetzt wird und dann mit einer Lösung von Monomeren in einem Lösemittel in Kontakt gebracht wird, um das Polymer, welches die positiv geladenen quaternären Ammoniumgruppen enthält, kovalent an die Membran gebunden herzustellen.

11. Verfahren zum Behandeln einer Zusammensetzung, wobei das Verfahren das Filtern einer Zusammensetzung durch ein Filtermedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, worin die Zusammensetzung eine Lösung für die Augenheilkunde oder eine pharmazeutische Zusammensetzung ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Zusammensetzung eine Lösung für die Augenheilkunde ist, welche aktive Bestandteile enthält und worin das Verfahren die aktiven Bestandteile nicht wesentlich entfernt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin die Lösung für die Augenheilkunde Benzalkoniumchlorid enthält, welches im we sentlichen in dem Filtrat verbleibt, nachdem die Lösung für die Augenheilkunde durch das Filtermedium filtriert wurde.

15. Filterkartusche, umfassend ein Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 10.







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