DE69117372T2

DE69117372T2 - Pyrogentrennungen durch Ultrafiltration mittels Keramik

Info

Publication number: DE69117372T2
Application number: DE69117372T
Authority: DE
Inventors: Ramesh R Bhave; James L Filson; James M Graaskamp; James R Morgart
Original assignee: ILLIONOIS WATER TREATMENT Inc
Current assignee: Siemens Water Technologies Holding Corp
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2011-06-28
Also published as: CA2045923A1; US5104546A; FI105323B; JP3356444B2; EP0467735B1; DE69117372D1; FI913158A; EP0467735A1; FI913158A0; JPH04250827A; CA2045923C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf keramische Ultrafilter und die Trennung von organischen Substanzen.
Unsymmetrische keramische Filter eignen sich für Trennprozesse mit Mikro- und Ultrafiltern. Diese keramischen Filter sind heute für ihre hervorragende strukturelle Bindung und Integrität bekannt und erweitern schnell das Anwendungsfeld von Filter auf Trennprozesse, die bei extremen Druck-, Temperatur- und pH-Werten ablaufen.
Der Aufsatz von J. Gillot et al von der Abteilung für keramische Membranen der Firma SCT in Tarbes, Frankreich, mit dem Titel "New Ceramic Filters Media for Cross-Flow Microfiltration and Ultrafiltration", der in der Druckschrift Filtra 1984 Conference, 2. bis 4. Oktober 1984 (April 1986) veröffentlicht wurde, beschreibt Filtermedien in Form von einer Aluminiumoxidmembran auf einem Träger, d.h. einen makroporösen Träger, mit einer keramischen Membranschicht auf der Oberfläche von Multikanälen, die durch den Träger mit Kanaldurchmessern von 4 oder 6 mm verlaufen. Die Mikrofiltermembranen besitzen einen durchschnittlichen Porendurchmesser zwischen 0,2 und 5 µm, während die Ultrafiltermembranen einen mittleren Porendurchmesser zwischen 4 und 100 nm besitzen. Die Elemente aus Membranen und Träger werden in Moduln zusammengefaßt, deren Filterflächen zwischen 0,01 und 3,8 m² betragen. Die Veröffentlichtung von Gillot et al beschreibt Merkmale für den Aufbau des Trägers aus α-Aluminiumoxid und für eine Mikrofiltermembran bestehend aus α-Aluminiumoxid bzw. Ultrafiltermembranen bestehend aus γ-Aluminiumoxid.
Eine Mikrofiltermembran für die Sterilisierung von Flüssigkeiten ist in der Druckschrift FR-A-2 473 313 beschrieben. Sie besteht aus einem keramischen Träger (Al&sub2;O&sub3;), auf dem eine Membran eines keramischen Materials (Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, SiO&sub2;) mit einem Porendurchmesser zwischen 0,1 und 0,22 µm liegt.
Ein in der Zeitschrift Industrial Ceramics, Vol. 8, No 3, 1988, Seiten 143 bis 148 veröffentlichter Aufsatz von COT et al beschreibt mehrere Arten von mineralischen Membranen für Mikrofilter- und Ultrafilterzwecke mit Porendurchmessern zwischen 1 und 100 nm. Die Herstellung von unsymmetrischen Membranen aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; und TiO&sub2; auf einem gesinterten keramischen oder metallischen Trägerrohr wird ebenfalls beschrieben.
Ultrafiltermembrane werden für Trennprozesse zum Abscheiden von Teilchen zwischen etwa 1 oder 2 nm und etwa 100 oder 200 nm verwendet. Im Zusammenhang mit Filtern für ein ganzes Spektrum von Prozesses zur Abtrennung kleiner Partikel erstreckt sich die umgekehrte Osmose von etwa 0,1 bis 1 oder 2 nm, die Ultrafiltrierung von etwa 1 bis 200 nm, die Mikrofiltrierung von etwa 50 nm oder 0,05 µm bis etwa 2 µm und die Teilchenfiltrierung von etwa 1 bis 2 µm und mehr.
Pyrogene sind fieberinduzierende Substanzen und werden verfahrensmäßig als eine Substanz identifiziert, die bei einer Injizierung von 10 ml in Lösung je kg Lebendgewicht die Körpertemperatur eines Kaninchens um 0,6ºC erhöht oder eine Gesamterhöhung von mehr als 1,4ºC für drei Kaninchen ergibt (USD XIX). Endotoxine sind Komplexe mit hohem Molekulargewicht, das z.B. von etwa 10.000 bis 100.000 oder 200.000 und gemäß einzelnen Berichten bis zu 1 Million reicht, die von Negativgrammbakterien stammen. Bakterien stoßen ihre äußere Membran in die Umgebung ab, ähnlich wie Menschen die äußerste Hautschicht abstoßen. Bekanntlich erzeugt Endotoxin in Menschen Fieber. Es scheint, daß die biologische Aktivität von Endotoxin vom Lipidabschnitt des Moleküls stammt.
Pyrogene werden nicht im Autoklaven beseitigt, da das Endotoxin, das als Lipopolysaccharidmolekül vorliegt, thermischer Behandlung widersteht. Das Lipopolysaccharidmolekül ist thermisch stabil, und die Zerstörung erfordert Temperaturen von 250ºC für eine halbe Stunde bis zu einer Stunde oder mehr.
Pyrogene können durch Entfernung oder Passivierung passiviert werden, z.B. beim Entpyrogenieren. Das Endotoxin kann mit einer Säure oder Base behandelt und passiviert werden. Dies nennt man Entpyrogenieren oder Passivieren.
Endotoxine können aus einer Flüssigkeit durch Destillierung entfernt werden. Dies ist die übliche Methode für das Entpyrogenieren von Wasser und eine von zwei bewährten Methoden für die Herstellung von pyrogenfreiem Wasser oder Wasser für Injektionen. Das Endotoxin hat ein hohes Molekulargewicht im Vergleich zum Molekulargewicht von Wasser, so daß die Destillierung wirksam ist, um Pyrogen aus Quellwasser mittels Destillationsprozessen zu entfernen. Die andere bewährte Methode zur Herstellung von pyrogenfreiem Wasser ist die umgekehrte Osmose.
Endotoxine können entfernt werden mittels umgekehrter Osmose aufgrund der Molekülgröße. Membranen für die umgekehrte Osmose sind Rückhaltemembranen, die hohe Drücke und Strukturen erfordern, die die Verarbeitung wegen der geringen Porengröße der Membranen für umgekehrte Osmose erschweren. Außerdem werden Substanzen mit geringerem Molekulargewicht, wie z.B. Salze, durch die umgekehrte Osmose zurückgehalten, was einen Nachteil bei der Bildung von pyrogenfreien parenteralen Lösungen darstellt, die gewisse Salze enthalten.
Manche Nachteile sind mit älteren üblichen Verfahren zur Entfernung von Pyrogen verknüpft, einschließlich Destillation, umgekehrter Osmose und Adsorption an Asbest oder anderen Medien. Destillationsprozesse sind sehr kapitalintensiv und teuer im Betrieb. Die umgekehrte Osmose ist eine preiswertere Methode für die Entfernung von Pyrogen, bringt aber erhebliche Probleme bei der Reinigung, bei der Entfernung von Pyrogen und der Bewahrung der Pyrogenfreiheit des Permeats über lange Betriebszeiten. Die Destillation und die umgekehrte Osmose besitzen weitere Nachteile dadurch, daß sie beide nicht verwendet werden können, um parenterale Lösungen von Pyrogen zu befreien, da die Destillation und die umgekehrte Osmose den gelösten Stoff mit Pyrogen zusammen entfernen. Asbestsysteme sind heute nicht mehr akzeptabel und andere Absorptionsmedien sind nur unzureichend wirksam bei der Entfernung von Pyrogen.
Die Ultrafiltrierung wurde als eine Methode für die Pyrogenentfernung aus Flüssigkeiten identifiziert, und zwar mittels Polymerstrukturen mit Porendurchmessern, die größer als bei Membranen für umgekehrte Osmose, aber kleiner als bei mikroporösen Filtern sind.
Ultrafiltriermembranen konzentrieren Stoffe, die entweder gelöst oder als Partikel vorliegen. Durch die Konzentration wird der Stoff vom Filter zurückgehalten (Retentat), während Wasser und gelöste Stoffe mit einem niedrigen Molekulargewicht einschließlich Salzen, Alkohol usw. durch die Membran hindurchdringen (Permeat). Die Konzentrationsoperation kann durch einen Aufbau von zurückgehaltenem Material an der Membranoberflächenhaut begrenzt sein. Dieser Aufbau wird Polarisierungskonzentration genannt und führt zu einem deutlichen Strömungswiderstand durch das Filter.
Ultrafiltrierung kann ein wirksames Mittel für die Entfernung von Pyrogen sein, da das Molekulargewicht von Lipopoylsacchariden z.B. in der Größenordnung von 20.000 liegen kann, so daß eine Membran mit einer Filtergrenze bei einem Molekulargewicht von 10.000 im allgemeinen verwendet wird, um einen hohen Filterwirkungsgrad zu erzielen.
Die Trennung von Pyrogenen mittels Filtrierung durch eine Polymermembran ist in der Druckschrift US-A-4 909 942 beschrieben. In einem ersten Schritt dringt die ursprüngliche Lösung durch eine Polymermembran, wodurch sich eine zweite Lösung ergibt mit einem geringeren Pyrogengehalt. Danach wird diese Lösung mit einem Absorptionsmittel behandelt, um einen ausreichend hohen Trenngrad zu erzielen. Diese Methode ist also umständlich und wenig wirkungsvoll.
Anwendungen auf organische Flüssigkeiten erzeugen üblicherweise eine Ablagerung auf der Polymermembran, einschließlich einer Schicht, die sich bei der Durchfluß-Ultrafiltrierung absetzt. Polymermembranen sind besonders von dieser Ablagerung betroffen, da Polymermembranen nur schwer gereinigt werden können. Die Polymermembranen werden auch durch hohe Temperaturen oder konzentrierte aggressive Chemikalien beschädigt, wie z.B. Säuren oder Laugen, die ansonsten die Membran ordentlich reinigen würden.
Dieser Nachteil von Polymermembranen ergibt sich nicht nur beim Reinigen, sondern auch bei der ursprünglichen Sterilisierung oder Entfernung von Pyrogen. Um ein pyrogenfreies Produkt abzugeben, muß das Filter von vorneherein pyrogenfrei sein. Die Membran sollte auch sterilisierbar sein, um koloniebildende Bakterien auf der Membranstruktur zu beseitigen, und die hohe thermische Stabilität von Lipopolysacchariden schließt Wärme als Mittel zur Sterilisierung und Beseitigung von Pyrogenen aus. Außerdem können Polymermaterialien üblicherweise nicht mit starken Säuren von Pyrogenen befreit werden (für die Reinigung zu Beginn). Die gleichen Faktoren, die als Nachteile für Polymermembranen bei der ursprünglichen Reinigung eine Rolle spielen, sind auch anwendbar auf die Regenerierung des Polymersystems. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Methode für die Reinigung einer Flüssigkeit von Pyrogenen mit einem Filter anzugeben, das sowohl zu Beginn als auch später zu Regenerationszwecken chemisch gereinigt werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Methode zur Entfernung von Pyrogen mit einem Filter anzugeben, das ursprünglich und später zu Regenerationszwecken mittels Säure von Pyrogen befreit werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Filter für die Entfernung von Pyrogenen aus einer Flüssigkeit anzugeben, das über eine lange Periode und zahlreiche Regenerationszyklen hinweg verwendet werden kann.
Schließlich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Methode für die Entfernung von Pyrogenen aus einer Flüssigkeit mit einem Filter anzugeben, das einen hohen Durchfluß und eine hohe Permeabilität besitzt.
Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden nun im einzelnen beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Methode zur Abtrennung von Pyrogenen wird die das Pyrogen enthaltende Flüssigkeit durch eine Zirkonoxidmembran geleitet, die sich auf einem keramischen Träger befindet, wobei die Zirkonoxidmembran einen Poren-Nenndurchmesser in der Größenordnung von 2 nm bis 10 nm besitzt. Die Membran auf dem keramischen Träger besteht vorzugsweise aus einer porösen gesinterten Zirkonoxidmembran auf einem α-Aluminiumoxidträger.

Liste der Figuren

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Membran auf einem keramischen Träger für die Durchfluß-Ultrafiltrierung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Methode eine Verringerung des Pyrogengehalts um mehr als fünf Potenzen ergibt, in Verbindung mit überraschenden und unerwarteten Vorteilen hinsichtlich des hohen Durchflusses und der hohen Permeabilität während einer langen Betriebsdauer, und daß die Methode bei Verwendung einer Zirkonoxidmembran auf einem keramischen Träger gemäß der Erfindung eine hervorragende Regenerierbarkeit ergibt.
Pyrogen oder Endotoxin sind Begriffe, die hier ganz allgemein verwendet werden für Stoffe, die in Menschen Fieber erzeugen. Es ist notwendig, daß Pyrogene weitestgehend bis auf sichere Werte aus einer parenteralen Flüssigkeit entfernt oder abgetrennt werden, um schädliche Reaktionen beim Patienten zu vermeiden. Pyrogene können nicht im Autoklaven oder durch Mikrofiltrierung, sondern erfolgreich nur durch Ultrafiltrierung entfernt werden. Im allgemeinen ergibt eine Ultrafiltrierungsmembran mit einem Grenzwert des nominalen Molekulargewichts von 10.000 eine Verringerung der Pyrogenkonzentration zwischen 2 und knapp 5 Potenzen. Frühere Versuche ergaben keine Verringerungen über 5 Zehnerpotenzen mit einem einstufigen Filter. Das Squibb Institute for Medical Research berichtete über eine Verringerung des Endotoxin-Gehalts um 2 Zehnerpotenzen in einem zweiten Durchlauf durch ein Ultrafiltriersystem unter Verwendung einer Polymermembran. Continental Water Systems von San Antonio, Texas, berichtet über eine Verringerung des Pyrogengehalts um 6 Potenzen, jedoch unter Verwendung eines zweistufigen Membranprozesses.
Die erfindungsgemäße Methode verwendet vorzugsweise ein Trägermaterial aus mehreren Schichten von α-Aluminiumoxid. Der α-Aluminiumoxid-Träger bildet eine Mehrschichten struktur mit einer Unterschicht, zum Beispiel mit einem Porendurchmesser von 0,2 µm und einer durchschnittlichen Dicke von 25 µm, die integral mit einer Ultrafiltrierschicht verbunden ist, z.B. einer Membranschicht mit einer zweiten Unterschicht, beispielsweise mit einem Porendurchmesser von etwa 0,8 µm und einer mittleren Dicke von 30 bis 50 µm, an der anderen Seite der ersten Unterschicht. Diese Struktur wird dann weiter von einem porösen Träger getragen, dessen Porendurchmesser etwa 10 bis 15 µm und dessen Dicke etwa 1,5 bis 2 mm beträgt.
Rohmaterialien für die äußere Beschichtung der Membran enthalten Zirkonoxid, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist. Diese Rohmaterialien werden mit Wasser oder Alkohol und einem Suspensionsmittel gemischt, um eine flüssige Suspension zu erhalten. Diese wird auf den Träger aufgebracht und erwärmt, um das flüssige Mittel auszutreiben, das Suspensionsmittel zu verbrennen und die Membran zu sintern.
Die Präparierung der Suspension aus dem mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkonoxid beginnt durch Mischung von Zirkonoxidpulver mit Wasser und organischen Zusätzen, um eine homogene Suspension zu erhalten. Die organischen Zusätze, Polyvinylalkohol und Äthanol, wirken als Entflockungsmittel und tragen auch dazu bei, die Fließeigenschaften der Suspension einzustellen. Sie werden später im Herstellungsprozeß verdampft oder verbrannt. Die Suspension wird dann mit Wasser verdünnt.
Die nach der obigen Methode vorbereitete Suspension läßt man dann über den Träger fließen, wo sie sich absetzt und getrocknet wird. Die neu gebildete Schicht wird dann in einer oxidierenden Atmosphäre erwärmt, so daß das überflüssige Wasser und Alkohol entfernt werden. Bei der Wärmebehandlung werden auch die organischen Zusätze oxidiert und die Zirkonoxidpartikel gesintert, indem sie aneinander und am Träger anbacken. Die Maximaltemperaturen während der Wärmebehandlung hängen vom gewünschten Porendurchmesser für das Endprodukt ab, aber in allen Fällen erreicht die Temperatur mindestens 500ºC, um sicherzustellen, daß alle organischen Zusätze oxidiert wurden.
Jede fertige Membran wird mit einem Blasentest, mit dem mögliche punktuelle Fehler erkannt werden, darauf getestet, ob alle Spezifikationen erfüllt werden. Für diesen Test wird die Membran auf ihrem Träger in einen geeigneten Behälter eingeschlossen und in Äthanol eingetaucht. Stickstoffgas wird dann auf der Membranseite in den Behälter eingespeist. Der Druck, bei dem Stickstoffgasblasen auf der Trägerseite der Einheit ankommen, wird zur Berechnung der Größe der möglichen Fehler herangezogen.
In der einzigen Figur ist ein schematisches Diagramm für die Durchfluß-Ultrafiltrierung in Einklang mit der erfindungsgemäßen Methode unter Verwendung der keramischen Membran auf dem keramischen Träger gezeigt. Der keramische Träger 1 aus α-Aluminiumoxid gemäß der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Kanäle 2, die in das monolithische Trägermaterial eingebracht sind. Die Kanäle können einen Durchmesser von 4 oder 6 mm besitzen und sind in großer Zahl, z.B. 19 Kanälen je Element, vorgesehen. Eine Membran auf ihrem Träger wird in den axial ausgerichteten Kanälen ausgebildet. Die Membranschicht 3 bildet die keramische Membran auf dem Trägermaterial 4 aus α-Aluminiumoxid. Der Strom 5 mit Pyrogenen 6 und Wasser 7 strömt durch die Kanäle 2. Ein Staudruck wird auf den Strom 5 angewandt, und ein Filterstrom 8 verläuft durch die Membran 3 und das Trägermaterial 4 und tritt als Permeat 8 aus. Die gefilterte Flüssigkeit ist in diesem Fall hauptsächlich Wasser 7. Der verbleibende Strom 9 (Retentat) tritt aus dem Trägerelement aus und enthält Pyrogen 6 und Wasser 7. Die Membran 3 hat vorzugsweise eine Tiefe von etwa 3 bis 5 µm.
Die spezifische Membran auf dem Träger wird von der Firma SCT in Tarbes, Frankreich unter der Handelsmarke Membralox Zirkonoxid Ultrafilter geliefert.
Es wurde gefunden, daß Pyrogene bis zu einem sehr hohen Reinigungsgrad aus Wasser entfernt werden können. Pyrogene können mit einer Verringerung der Pyrogenkonzentration um 5 Größenordnungen aus Wasser entfernt werden. Eine Verringerung um 5 Größenordnungen entfernt 99,999 Gew.% an Pyrogen.
Die erfindungsgemäße Methode verwendet Zirkonoxidmembranen mit einem Nennporendurchmesser von etwa zwischen 2 und 10 nm. Als Nennporendurchmesser wird der durchschnittliche Porendurchmesser, z.B. etwa 4 nm, bezeichnet, bei dem mehr als etwa 95% der Poren einen Durchmesser im Bereich von ±5% des Nennporendurchmessers besitzen, also z.B. ±0,2 nm im Fall einer Porengröße von 4 nm. Vorzugsweise ist der Nennporendurchmesser der Zirkonoxidmembran auf dem Träger erfindungsgemäß höchstens etwa 5 nm.
Bei der Ultrafiltriermethode gemäß der Erfindung wird die das Pyrogen enthaltende Flüssigkeit über die Zirkonoxidmembran im Durchfluß oder tangentialen Fluß über die Membran geleitet. Unter Durchfluß oder tangentialer Fluß versteht man, daß der Eingangsfluß axial kanalisiert wird und im wesentlichen senkrecht zum Permeatfluß durch den Träger verläuft, wie schematisch in der einzigen Figur zu sehen ist.
Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Methode Pyrogene aus einer Flüssigkeit abzutrennen vermag, um eine pyrogenfreie Flüssigkeit zu erhalten. Mit pyrogenfrei wird eine Flüssigkeit bezeichnet, bei der mit den für die Messung von Pyrogenen verfügbaren Methoden kein Pyrogen mehr festgestellt werden kann. Die Methoden für die Messung von Pyrogenen schließen einen Kaninchentest und einen LAL-Test ein (LAL - Limulus Amebocyt Lysat). Für eine wirksame Ausführung des Pyrogen-Entfernungsprozesses sollte vor der Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Methode die Membran auf dem Träger von Pyrogenen befreit sein. Dies kann geschehen durch chemische Inaktivierung des Pyrogens, z.B. durch Behandlung mit einer verdünnten Säure wie einer 2%-igen Salpetersäure oder Überchlorsäure.
Die in dieser Beschreibung des erfindungsgemäßen Prozesses in Betracht gezogenen Pyrogene haben eine Partikelgröße von bis zu etwa 1 µm oder ein Aggregat-Molekulargewicht von bis zu etwa 1 Million und in einem Aspekt ein Nenn-Molekulargewicht von etwa 10.000 bis 20.000.
Die erfindungsgemäße Methode kann auch funktional beschrieben werden, beispielsweise für die Reinigung einer Flüssigkeit zur Entfernung von Pyrogenen, indem eine die Pyrogene enthaltende Flüssigkeit durch eine Keramikmembran geleitet wird, die eine Flußrate oder Permeabilität höher als etwa 50 l/h/m²/bar (Transmembrandruck) besitzt, um Pyrogene zu entfernen, ohne daß sich die Membran während einer Betriebszeit von mehreren Stunden verstopft. Empirisch wurde durch experimentelle Beobachtung und Tests gefunden, daß die Methode unerwartet gute Trenneigenschaften mit einer hohen Flußrate und eingeschränkter Verstopfung der Membran erbringt, wie durch Beobachtung des Flusses und der Permeabilität durch die Keramikmembran auf den Keramikträger in der erfindungsgemäßen Methode deutlich wird. Die verbesserten Eigenschaften werden nachfolgend in den Beispielen beschrieben.

Beispiel 1

Eine Zirkonoxidmembran auf α-Aluminiumoxidträger mit dem Markennamen 316SS Membralox 1T1-150 Modul wurde von SCT in Tarbes, Frankreich, geliefert. Die Länge des Membranelements betrug 20 cm. Die Enddichtungen des Elements waren aus einem speziellen Glasemail.
Die Membran auf dem Trägerelement wurde mit einem sauren Reinigungsmittel gereinigt, um die Korrosion des Glases zu begrenzen. Mit anderen Dichtungen können alkalische Lösungen zur Reinigung des Membranelements verwendet werden.
Vor Beginn des Tests wurde das System von Pyrogenen befreit. Dies geschah mit einer 2%-igen heißen Salpetersäurelösung. 7,5 l (2 Gallons) einer 2%-igen Salpetersäurelösung wurden in einem Systemtank vorbereitet. Unter Verwendung von Dampf und einer Röhrenspirale aus rostfreiem Stahl, die in den Tank eingetaucht ist, wurde die Lösung langsam auf 75 bis 80ºC beim Durchlauf durch das System mit 3,7 GPM (lm/s) erwärmt. Diese Lösung wurde etwa 45 Minuten lang umgewälzt, wobei die Temperatur etwas absank. Während dieser Zeit wurde der Transmembrandruck ΔP auf 4,2 Bar (60 psi) eingestellt und das Ventil für den Abfluß des Permeats war ganz offen. Dadurch wurde die Außenseite des Moduls ganz von Pyrogen befreit.
Nach der Periode der Entfernung von Pyrogen, die etwa Minuten dauerte, wurde die 2%-ige Salpetersäurelösung mit 11 bis 15 l destillierten Wassers (3 bis 4 Gallons) herausgespült. Die meiste Säure wurde aus dem System gespült und brachte den pH-Wert auf etwa 4,5. Eine sehr verdünnte Natriumhydroxidlösung wurde dann vorbereitet und tropfenweise zugefügt, bis der pH-Wert des Systems etwa den neutralen Wert erreichte (ungefähr 7). Sobald ein pH-Wert im Bereich zwischen 6,5 und 7 erreicht wurde, wurden weitere 7,5 l (2 Gallons) destillierten Wassers durch das System gespült, und der pH-Wert wurde erneut mit Lackmuspapier (und zwei pH- Meßgeräten als Gegenprobe) getestet. Verbleibende Säure auf der Modulaußenseite wurde mit destilliertem Wasser (3,8 l - 1 Gallon reichte aus) ausgespült und der pH-Wert wurde gemessen.
Als alle Säure ausgespült und das System auf einem pH-Wert von 6,5 bis 7 (näher bei 7,0) war, wurde eine Probe auf der Kanalseite und der Permeatseite entnommen und auf Pyrogene untersucht. In allen Tests wurde gewährleistet, daß der Membranmodul und das Testsystem kein Pyrogen mehr enthielt.
Das Analyseverfahren verwendete den Gel-Gerinnungs- LAL-Test. Das Verfahren wurde hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Genauigkeit getestet. Genaue Konzentrationen wurden durch Serien von Verdünnungen bestimmt. Meßstandards und Verdünnungen wurden durch Verdünnung einer bekannten Menge von Lipopolysacchariden (L-2880, Los 17F-40191, Sigma Chemicals, St. Louis, Missouri) mit sterilem und pyrogenfreiem Wasser gebildet, das nicht bakteriostatisch war (der im bakteriostatischen Wasser zur Konservierung verwendete Benzylalkohol behindert den Test). Danach wurde eine geringe Menge in ein Reagenzglas gegeben, das das Gelgerinnungsextrakt enthielt. Nach dem Mischen erfolgte eine Inkubation während einer Stunde. Der letzte Schritt bestand im langsamen Ausschütten des Reagenzglases, um die Gerinnung beobachten zu können. Wenn das Gel geronnen ist und am Boden des Gläschens haftet, war der Test positiv. Wenn das Gel seitlich weglief, war der Test negativ. Daher konnten Konzentrationen unterhalb der Empfindlichkeit des Tests (0,0125 ng/ml) nicht bestimmt werden.
Alle Glasteile wurden durch Wärmebehandlung von Pyrogen befreit. Sie wurden in Aluminiumfolie eingewickelt und in eine Ofen während 2 Stunden vor der Benutzung auf 250ºC erwärmt. Die Pipetten, die für den Transfer der Lösung verwendet wurden, waren einzeln verpackte sterile Einmalpipetten der Firma Fisher Scientific. Proben wurden bei der Reinigung des Systems von Pyrogenen genommen, um sicher zu sein, daß es rein und frei von Pyrogenen war. Je zwei Proben von der Kanalseite und der Permeatseite sowie destilliertes Wasser wurden vor jedem Testlauf überprüft und ergaben keine Anzeichen von Pyrogenen.
Die ursprüngliche Konzentration in diesem Beispiel war 500 ng/ml in frischem destilliertem Wasser, was bereits als pyrogenfrei getestet worden war. Am Ende des Testlaufs wurden je zwei Proben aus dem Speisetank, dem Permeattank und unmittelbar aus der Permeatleitung entnommen und auf Pyrogene untersucht. Die Ergebnisse waren wie folgt:
Ursprüngliche Flüssigkeit 500 ng/ml
Permeatprobe aus dem Glasbehälter,
in dem das Permeat gesammelt wurde < 0,0125 ng/ml
Probe aus der Permeatleitung < 0,0125 ng/ml
Dies zeigt eine Verringerung der Konzentration um etwa 5 Größenordnungen.
Die Prozeßbedingungen wurden bei Temperaturen von 30 bis 40ºC, bei einer Durchfluß-Filtriergeschwindigkeit von etwa 1,5 m/s und einer Druckdifferenz an der Membran von 5,6 Bar (80 psi) festgelegt. Der Test dauerte etwa 45 Minuten. Die Permeabilität für sauberes Wasser vor dem Testlauf wurde mit etwa 50 l/h/m²/bar bei 20ºC festgestellt. Die mittlere Permeabilität während der Dauer des Tests betrug 47 1/h/m²/bar.
Man hat festgestellt, daß die Permeabilität der Membran für Wasser durch vorhandene Pyrogene nur wenig verringert wurde. Das aufgefangene Permeatvolumen betrug etwa 2100 ml in einem vorher von Pyrogenen befreiten Glasbehälter. Der Pyrogenanteil am Ende des Tests betrug etwa 1000 ng/ml. Das ursprüngliche Flüssigkeitsvolumen betrug 3,78 l (1 Gallon). Zwei Permeatproben wurden aus der Leitung und zwei aus dem Permeat-Sammelglasbehälter entnommen. Alle Proben wurden auf Pyrogen mit dem LAL-Test untersucht, der in dem beim Gelgerinnungstest verwendeten Analyseverfahren identifiziert ist. Der Test war negativ und ergab eine Pyrogenkonzentration unter der Nachweisempfindlichkeit von 0,0125 ng/ml.

Beispiel 2

Im Vergleich zu Beispiel 1 wurden die Testbedingungen verändert, nämlich eine Laufzeit von 60 Minuten, eine ursprüngliche Pyrogenbelastung von 1,140 ng/ml und eine ursprüngliche Flüssigkeitsmenge von 5,68 l (1,5 Gallons) wurden gewählt.
Die mittlere Permeabilität wurde mit 50 l/h/m²/bar gemessen. Die Permeabilität für reines Wasser vor dem Pyrogentest betrug 50 l/h/m²/bar bei 20ºC. Damit ergab sich praktisch keine Verringerung der Wasserdurchlässigkeit aufgrund des Vorhandenseins von Pyrogenen. Die Pyrogenkonzentration im Bereich zwischen 500 und 1800 ng/ml scheint keinen wesentlichen Einfluß auf die Permeabilität zu haben. Es wurde deutlich gefunden, daß sich die Poren nicht verstopften oder daß sich keine Konzentrationspolarisierung aufgrund der Pyrogene mit Molekularabmessungen deutlich über denen der Membrandurchmesser ergab.
Der Pyrogenanteil in der Permeatleitung lag unter etwa 0,0125 ng/ml.
Testergebnisse hinsichtlich der Verringerung des Pyrogenanteils in den Beispielen 1 und 2 sind in der Tabelle zusammengefaßt. Die Verringerung der Pyrogenkonzentration wird im allgemeinen im logarithmischen Maßstab angegeben, wenn ein Membranfilter mit einer spezifischen Belastung mit Pyrogen (in ng/ml) beschickt wird.
Die die logarithmische Verringerung der Pyrogenkonzentration beträgt log&sub1;&sub0; [mittlere Konzentration von Pyrogen auf der Retentatseite (in ng/ml) geteilt durch die mittlere Konzentration von Pyrogen auf der Permeatseite (in ng/ml)]. TABELLE Zusammenfassung der Ergebnisse der Pyrogen- Filterung mit einem 5 nm Membralox Zirkonoxid- Ultrafilter Beispiel ursprüngl. Pyrogenehalt ng/ml endgült. Pyrogengeh. ng/ml ΔP Transmembrandruck x 0,07 Bar (x psi) Wasserfluß bei 20 ºC 5,6 Bar (80 psi) l/h/m² (GFG) (korrigiert) LAL Ergebnisse** (Filtrat) ng/ml Permeat-Leitung logarithmische Verringerung negativ Verwendeter Modul: 1T1-150 (Länge des Elementes 20 cm) Temperatur: 30 bis 40ºC Durchflußgeschwindigkeit: 1,5 m/s * der Permeabilitätswert (l/h/m²/bar) kann berechnet werden, indem der Wert des Wasserflusses durch den Transmembrandruck dividiert wird ** Nachweishgrenze 0,0125 ng/ml

Claims

1. Methode zur Pyrogenabtrennung, bei der die das Pyrogen enthaltende Flüssigkeit durch eine Membran aus Zirkonoxid auf einem keramischen Träger verläuft und die Zirkonoxidmembran einen Nennporendurchmesser zwischen etwa 2 nm und 10 nm (20 Å bis 100 Å) besitzt.

2. Methode nach Anspruch 1, in der der keramische Träger einen porösen gesinterten Träger enthält.

3. Methode nach Anspruch 2, wobei der Träger ein α-Aluminiumoxid enthält.

4. Methode nach Anspruch 1, wobei die Membran aus Zirkonoxid einen Nennporendurchmesser von höchstens 5 nm (50 A) besitzt.

5. Methode nach Anspruch 1, wobei die das Pyrogen enthaltenden Flüssigkeit durch eine Zirkonoxidmembran im Durchfluß oder tangentialen Fluß über die Membran verläuft.

6. Methode nach Anspruch 1, die weiter zu Beginn eine Reinigung der Membran von Pyrogenen mit Salpetersäure einschließt, ehe die das Pyrogen enthaltende Flüssigkeit zugeführt wird.

7. Methode nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeit Wasser enthält.

8. Methode nach Anspruch 1, bei der die das Pyrogen enthaltende Flüssigkeit Wasser mit Pyrogen enthält, dessen Partikelgröße bis zu 1 µm reicht.

9. Methode nach Anspruch 8, bei der die Pyrogene ein Nenn- Molekulargewicht zwischen 10.000 und 20.000 besitzen.

10. Methode nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeit Wasser enthält und bei der die Pyrogene organische medizinische Substanzen mit Molekulargewichten zwischen 10.000 und 20.000 enthalten.

11. Methode zur Abtrennung von Pyrogenen, die folgende Schritte enthält:

(a) eine mit Säure von Pyrogenen befreite Ultrafiltriermembran aus einem porösen gesinterten Zirkonoxid mit einem Nenn-Porendurchmesser zwischen etwa 2 nm und 10 nm (20 Å bis 100 Å) auf einem α-Aluminiumoxidträger wird vorbereitet, indem die Membran auf dem Träger mit Salpetersäure behandelt wird,

(b) das das Pyrogen enthaltende Wasser wird mittels Durchfluß oder tangentialer Filtrierung über und durch die Zirkonoxidmembran auf dem α-Aluminiumoxidträger geleitet, um die Pyrogene abzutrennen und ein pyrogenfreies Permeat zu erzielen.