中空糸膜(ちゅうくうしまく;Hollow fiber membrane ホローファイバーメンブレン)の原理と応用例

      2020/11/21




実験で使う膜といえば自分はシリンジや吸引装置で水(バッファー、培養液など)をろ過するのに使う0.45μや0.22μのフィルターくらいしか思いつきませんが、中空糸膜(ちゅうくうしまく;Hollow fiber membrane;ホローファイバーメンブレン)というものが、様々な場面で使われているそうです。

ホローファイバーの構造

Polysulfone hollow fiber membrane SEM cross-section.png
By RobertsBiology Hollow fiber membrane (Wikipedia)

 

中空糸膜(ホローファイバーメンブレン)の利点

膜の表面積が大きくとれるのが一番の利点のようです。またモジュールが完全に閉じたものにできるので、細胞から分泌させたタンパク質の濃縮など滅菌的な条件が必要となる場合にも使えるという利点があります。

  1. NanoSHIELD™ は、電子産業のフォトレジストや高純度薬品のろ過用に開発されたHFT(Hollow Fiber Technology:中空糸膜)を用いた製品です。 HFTの採用により、従来のメンブレンフィルターの2.2倍*のろ過面積を有す為、低圧損、高流量で安定したろ過 を実現し、デフェクトの低減に効果があります。 (3M

 

人工肺

  1. 1982年 多孔質ポリプロピレン ホローファイバー(中空糸)型人工肺Capiox(キャピオックス)II販売開始
  2. 中空糸膜に多数の小さな孔(あな)が空いており血液は通過せずガスだけ通過
  3. 1987年 Capiox-E発売 それまでは人工肺の中空糸の内側に血液を通し、外側を通る酸素との間でガス交換をさせる「内部かん流」という仕組み。それを「外部かん流」に改めて、血液と酸素の通り道を逆転。
  4. 1993年 Capiox-SX

(参考:なぜ“テルモ流”人工肺は業界標準になった? 開発者に聞く「仕方なく作った」の真意 会員限定 2020/04/01 ビジネス+IT

  1. TERUMO カーディオバスキュラー事業 
  2. 人工肺静脈血を灌流させ酸素を添加することで、血液を酸素化して体に戻すという本来生体内での肺の役割を担っています。中空糸膜は、中空糸を束ねたもので中空糸の外側に血液を流し、内側に酸素を流す事によって血液を酸素化します。当社の中空糸膜は、血栓塞栓症などを引き起こすリスクを効果的に抑制できる特殊なポリオレフィン樹脂を素材としており、1990年に人工肺用のガス分離膜として採用されて以来30年にわたり高い信頼性を得ています。(体外式膜型人工肺(ECMO)に用いられる中空糸膜の提供に注力 -新型コロナウィルス重症者治療に用いられる医療機器の安定供給に貢献- DIC株式会社2020年5月14日 11時29分 PRTIMES

 

人工透析・人工腎臓(ダイアライザ)

  1. ダイアライザ内の血液は、半透膜※1でできたストロー状の細い管(中空糸の中を流れ、半透膜の表面に空いた無数の孔(あな)「ポア」を通じて管の外で血液と反対の方向に流れる透析液※2と接触。その際、尿素や老廃物など人体にとって有害な物質や余分な水分は透析液側に移行し、さらに、電解質など身体に不足している物質は透析液から血液に補われます。一方、赤血球やアルブミンなど人体に必要な物質は、ポアよりも大きいため出て行かず、血液中にとどまります。(人工腎臓【ダイアライザ】 いのちのためのテクノロジー ニプロ NIPRO)

 

スポンサーリンク

バイオリアクター(細胞培養・タンパク質発現)

C3 Cell Culture Company

  1. Hollow Fiber Bioreactors Hollow Fiber Technologyでは目的物質は直接濃縮されて回収できるため、培養層のスケールアップや濃縮のステップを省略できます。(山葉商事株式会社

テルモ

Quantum® Cell Expansion System

  1. Quantum Cell Expansion System Quantum細胞増殖システム: Quantumシステムの機能的にクローズドな3Dバイオリアクターは約11,500本中空糸からなり、2.1 m2の表面積を有しています。 この大きな表面積は、必要最低限の空間で接着細胞を最大限に増殖できるように設計されています。(Terumo Global)
  2. Quantum Cell Expansion System: Quantumシステムの3Dバイオリアクターは約11,500本の中空糸からなり、2.1 m2の細胞培養表面積を有しています。これはT-175フラスコ120枚分の表面積に相当します。(TERUMO)

参考

  1. Quantum細胞増殖システム(池田理化)価格 ¥12,000,000
  2. 中空糸膜型バイオリアクター :突然変異または遺伝子工学 や微生物・酵素関連装置 などの分野において活用されるキーワードであり、オルガノ株式会社日本製薬株式会社 などが関連する技術を7件開発しています。(astamuse.com
  3. 公開特許公報(A)_細胞の培養方法及びタンパクの製造方法 ホローファイバーは、中空糸膜により、培養スペースが細胞が成育する中空糸外側スペース(ECS)新鮮培地が循環する中空糸内側スペース(ICS)の2つに分けられることにより、生産された高分子タンパク質をECS中に濃縮状態で集めることができる点で他のバイオリアクターより優れている(特許文献1)。…  (1)タンパク質生産細胞 タンパク質を生産しうる細胞は、目的タンパク質を生産しうる細胞であればよく、特に限定されない。浮遊性の細胞でも、付着性の細胞でもよい。ハイブリドーマのように、目的タンパク質を産生する細胞を不死化した細胞でもよいし、発現ベクターの形質導入によりタンパク質生産能を持たせた細胞でもよい。具体的にはSP2/0細胞YB2/0細胞CHO−K1細胞CHO−S細胞などがあげられる。目的タンパク質としては特に限定はないが、例えばモノクローナル抗体等の抗体があげられ、具体的にはウサギモノクローナル抗体、中でも抗トリヨードサイロニンウサギモノクローナル抗体があげられる。 
  4. 特開2017-176043号公報 中空糸内で細胞を培養し,中空糸の外側に培養液を循環させることで,安定的に細胞を培養でき,しかも培養上済を容易に回収でき,これにより高い品質の細胞や培養上清を安価かつ大量に得ることができるという知見に基づく。

 

細胞の濃縮・洗浄

  1. 細胞濃縮洗浄装置は、培養した細胞懸濁液が入ったバックを回路に接続し、閉鎖系流路内の中空糸膜によって最大10Lの細胞懸濁液を、20~80mLの細胞濃縮液と培養液成分に分離する装置です。(株式会社カネカ 医療器事業部 技術統括部 医療器研究グループ KEYSTONE THE LAB OF YOUR DREAMS
  2. 公開特許公報(A) 細胞懸濁液の濃縮方法 株式会社カネカ  本発明は、細胞懸濁液から細胞を分離するための技術に関する。さらに詳しくは、中空糸型分離膜を用いた、細胞懸濁液処理器およびそれを用いた細胞懸濁液の濃縮方法に関する。 細胞医療の分野では、生体から採取した細胞を直接、又は生体外で培養した後、体内に移植する方法が用いられている。これら移植に用いる細胞は、移植に適した溶液に懸濁され、また適切な濃度に調整され移植される。しかしながら、生体から採取した又は体外での培養を経た細胞は、組織由来の夾雑物や培地などを含んでおり、また、細胞が溶液に希釈された状態で採取されることが多い。そこで、移植に用いるためには、夾雑物や培地を取り除き、移植に適した溶液に置換され(洗浄)、移植に適した細胞濃度に濃縮される必要がある。

 

ガス分離・交換・供給

  1. シリコーン中空糸ガス分離膜NAGASEP(ナガセップ)(永柳工業株式会社) シリコンは、高分子の中で最もガスを透過させやすい特徴を持っています。このシリコンをナガヤナギ独自の技術で中空糸に製膜して、集合体とした中空糸膜モジュールが「NAGASEP(ナガセップ)」です。… 医療分野での応用:人工心肺動物細胞培養用のガス交換器として(培地へのO2供給、CO2排出)血液分析機器の脱気装置として(試験液・洗浄液の脱泡)医薬品マイクロスフェア製造(乳液の脱溶媒)
  2. Polymer hollow fiber membranes for gas separation: A comparison between three commercial resins. AIP Conference Proceedings 2139, 070003 (2019); Published Online: 26 August 2019 https://doi.org/10.1063/1.5121669 

 

携帯浄水器

mizu-Q PLUS 使い方説明 


 

家庭用浄水器

  1. 1980年代前半までの一般的な浄水器は、活性炭を使っていました。1984年、私たちは雑菌まで除去できる中空糸膜フィルターを採用した世界初の家庭用浄水器『クリンスイ』を発売し、大きな評価を得ました。(クリンスイが選ばれる理由 三菱ケミカル・クリンスイ株式会社)
  2. Hollow Fiber Membrane of Cleansui Key Features o PE Membrane 
  3. 中空糸膜だけの家庭用浄水器はありません。… 残留塩素、カルキ臭、カビ臭、トリハロメタン、農薬類などを活性炭で除去、吸着し、鉄さび、雑菌、濁りなどを中空糸膜でろ過捕捉します。(浄水器の分類 株式会社シンワ
  4. トレビーノ®は、東レの膜技術を活かした先端素材である中空糸フィルターと、粒状活性炭などのろ材を組み合わせた家庭用浄水器です。(TORAY
  5. テクの雑学 第137回 安全な水を美味しく飲もう 〜家庭用浄水器のフィルタの仕組み〜 tdk.com/tech-mag

活性炭層で浄化された水は中空糸でできた精密濾過膜に至り,その膜表面に形成された微細孔により細菌は通過を阻止され,水のみが通過する。中空糸の素材としては,ポリスルホン,ポリエチレン,ポリプロピレンなどが使われており,その外径は数百ミクロン,膜厚は数十ミクロンの中空繊維である。”トレビーノ”に使用されている中空糸の原料はポリスルホンであり,その断面の一部を写真1に示す。  転載元:SEN-I GAKKAISHI (繊維と工業)Vol. 51, No. 2 (1995) pp44-49 平成6年11月30日受理 PDF

 

酢の濾過

  1. CETOTEC清澄濾過システムは、アルコール酢、ワイン酢、りんご酢などの様々な種類の酢の濾過に適しております。ポリスルホン製のハウジングに埋め込まれたポリプロピレン製のLiqui-Flux®モジュールは可能な限りの性能と耐久性を保証します。 毛細管径1.8㎜ ポアーサイズ0.2μm (コーレンス

 

浄水処理

  1. 中空糸膜モジュール(大型) FW50 / FZ50 / FN20 用途:浄水場の浄水システム、排水のRO前処理、地下水処理システム 膜素材:酢酸セルロース  分画分子量:15万 中空糸内径/外径:0.8mm/1.3mm (ダイセン・メンブレン・システムズ株式会社 ダイセルグループ

 

排水処理

  1. 住友電気工業はPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)中空糸膜を用いた膜分離活性汚泥処理(MBR)用の大型モジュールを開発した。… この柔軟性と強度を併せ持つという特性を活用して、通常は最大2メートルほどである膜の長さを3メートルに長尺化し、振幅を大きくすることにより、膜洗浄力も大幅に向上した。(水処理技術も省エネに、電力消費を3分の2に抑える膜モジュール itmedia.co.jp
  2. 当社は微生物を付着させる担体に独自に開発した生物親和性の高いポリビニルアルコール(PVA)を原料とする直径4ミリほどの白い球状樹脂『クラゲール』を用いている。これに排水を濾過(ろか)する中空糸膜と活性炭を組み合わせ、排水処理システムとして提供している。(クラレ 低コスト、コンパクトな排水処理両立 2016.11.28 05:00  Sankei Biz

 

中空糸膜・中空糸膜モジュール製品

Spectrum

  1. Spectrum®中空糸フィルターモジュール MWCO:1kD 3kD 5kD 10kD 30kD 50kD 70kD 100kD 300kD 500kD 750kD 0.05μm  0.10μm 0.20μm 0.45μm 0.50μm 0.65μm (REPIGEN
  2. スペクトラム ホローファイバーモジュール 修飾ポリエーテルスルホン(mPES) ポアサイズ:3kD、10kD、30kD、50kD、70kD、100kD、500kD ポリスルホン(PS) ポアサイズ:10kD、50kD、500kD、0.05μm 混合セルロースエステル(ME) ポアサイズ: 0.1μm、0.2μm ポリエーテルスルホン(PES) ポアサイズ:0.2μm、0.5μm (家田貿易株式会社)

Cytiva (GEヘルスケア ライフサイエンス)

  1. ホローファイバーカートリッジ選択ガイド ホローファイバータイプのバイオ医薬品製造用クロスフローメンブレン

三菱ケミカル

  1. 中空糸膜製品総合カタログ STERAPORE 三菱ケミカル

旭化成

  1. マイクローザ:分離対象物の大きさにあわせ、MF(精密ろ過膜)UF(限外ろ過膜)の2種類の中空糸膜と、それを応用したさまざまな製品・システム
  2. BioOptimal MF-SL 中空糸型マイクロフィルター

ユアサ メンブレンシステム株式会社

  1. ユアサ 中空糸膜フィルター 優れたろ過性能、耐熱性、耐薬品性をもつ「ポリスルホン膜」を使用し、0.04 0.1 0.2 0.45 0.8μmの高精密ろ過を実現

MWCO(Molecular weight cut-off)

  1. 90%以上の阻止率を確保できる粒子径(分子量)をもって孔径(MWCO) 表示を行っています (SPECTRUM

濾過の種類

うっかり限界濾過と言ってしまいそうな、限外濾過など、濾過にはいろいろな名称(種類)がありますが、何が何を意味するのか知らなかったのでまとめておきます。

  通れないもの 通り抜けるもの 備考
粗濾過 >10 µm

赤血球、花粉

微生物、微粒子  
精密濾過

Microfiltration; MF

0.05~10 µm

微生物(酵母・大腸菌)、微粒子

タンパク質、ウィルス、マイコプラズマ 膜に対して垂直に全量を通す方式あるいは、クロスフロー方式
限外濾過

ultrafiltration; UF

1 nm〜0.05 µm

タンパク質、ウィルス、マイコプラズマ

糖、アミノ酸、塩 目詰まりを防ぐために膜の表面にそって液を流す「クロスフロー」方式が一般的
逆浸透圧

reverse osmosis; RO

<1 nm

糖、アミノ酸、塩

 

参考

  1. 意外と知らない限外ろ過の基礎知識 M-Hub
  2. 限外ろ過膜(ウィキペディア)限外とはultraの古典的な訳語
  3. ろ過(ウィキペディア)

参考

  1. ろ過の基礎知識 Tech Note IPROS

 - Uncategorized