一种除病毒中空纤维素膜及其制备方法与流程

1.本技术涉及膜分离技术的领域，尤其是涉及一种除病毒中空纤维素膜及其制备方法。


背景技术：

2.在生物制药领域，病毒污染是一个严峻的挑战，可能会导致生产线上的产品受到污染，进而对生物制药产品的安全性和有效性产生负面影响。因此，采取恰当的措施以保护生物制药产品免受病毒污染显得尤为重要。
3.目前，生物制药领域已经涌现出众多病毒过滤方法和技术，如微孔过滤器、凝胶层析和蛋白质a亲和层析等。然而，传统的病毒过滤方法存在着一些局限性和挑战。
4.首先，微孔过滤器的孔径通常较大，无法有效过滤较小的病毒颗粒。其次，凝胶层析和蛋白质a亲和层析等方法在不同病毒类型上的适用性可能存在差异，并且操作复杂、耗时长，无法满足高效生产的需求。
5.分离膜是一种利用膜两侧的压力差实现溶液分离、纯化和浓缩的技术。由于其绿色、节能和高效的特点，分离膜技术在食品、化学和制药工业中已得到广泛应用。
6.相较于平板膜，中空纤维膜具备显著优势。中空纤维膜的膜组件比表面积更大，压力损失更小，预处理要求较低，适用范围更广。膜组件的结构简单，易于安装，并在实际应用中呈现出高度的操作性。分离装置简单易用，便于控制、清洗和维护。此外，中空纤维膜组件还具备优异的抗污染性能，污染物不易附着于膜表面，从而在一定程度上延长了膜组件的使用寿命。
7.申请公开号为cn113842792a的中国发明专利申请文件中，公开了一种除病毒用不对称的pes滤膜，该pes滤膜包含主体，主体包括预过滤层和用于截留病毒的分离层。该pes膜具有典型的双层结构(大孔径的预过滤层和小孔径的分层)，并且具有良好的病毒截留效果(lrv＞4)，但是pes材质本身具有一定的疏水性造成其蛋白质收率偏低。
8.申请公告号为cn115025641b中阐述了一种高度亲水性能的再生纤维素(rc)除病毒中空过滤膜，该中空纤维素膜具有多孔进液面和多孔出液面，即，滤膜在膜厚方向上的孔径先逐渐减小、后逐渐增大、再逐渐减小，同时病毒截留效果(lrv＞4)良好，然而该件专利中空膜的制备对于工艺和设备要求较高，且制备过程复杂。


技术实现要素：

9.本发明是为了克服现有技术中的除病毒纤维素膜孔径分布较宽且具有较厚的截留层造成了再生纤维素除病毒过滤膜的水通量较低的问题，同时pes滤膜又具有蛋白质收率偏低的缺陷，提供了一种除病毒中空纤维素膜及其制备方法以克服上述不足之处。
10.为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：第一方面，本发明首先提供了一种除病毒中空纤维素膜的制备方法，其至少包括以下步骤：(s.1)使得纤维素溶解于铜氨溶液，并配制成铸膜液的步骤；
(s.2)使得铸膜液与芯液的表面张力之比调节为0.8-1.15的步骤；(s.3)使得铸膜液与凝固浴的表面张力之比调节为0.5-0.8的步骤；(s.4)使得铸膜液内部气泡被除去从而形成纺丝原液的步骤；(s.5)使得芯液和纺丝原液一起共同挤出至凝固浴中，从而通过制湿法纺丝得到中空纤维膜丝的步骤；(s.6)使得得到的中空纤维膜丝经过再生浴再生以及水洗，得到所述除病毒中空纤维素膜。
11.根据发明人在日常研究中发现，天然高分子(例如纤维素)由于其原料及分子量分布的不可控性，使得在制备中空纤维素膜时存在孔径难以精确调控的问题。
12.通常，制备中空纤维膜采用湿法纺丝方法，该方法的步骤如下：将铸膜液和芯液同时挤出到凝固浴中，以获得具有统一管径的中空纤维膜。然而，目前使用的方法中，芯液和凝固浴通常是相同的材料，因此制备得到的中空纤维膜具有对称结构，从内到外的孔径通常是均一的。这也导致难以同时实现高水通量和高截留率的要求。
13.发明人通过调节铸膜液凝固浴之间的表面张力的比值，可以有效控制铸膜液与凝固浴之间的相分离速度，进而调节膜的孔径大小。因此，通过这种调节方法同样可以帮助实现所期望的中空纤维膜的孔径控制，尤其在制备不对称结构的中空纤维膜的孔径控制之中。
14.以平板膜为例，理论条件下，凝固浴的表面张力与铸膜液更为接近，则会导致铸膜液的分相速度减慢，从而造成平板膜的孔径的变大；而凝固浴的表面张力与铸膜液的差距越大，则会导致铸膜液的分相速度加快，则会导致平板膜的孔径的变小。
15.然而，发明人尝试使用该理论在中空纤维膜的制备过程中进行应用，即通过将凝固浴的表面张力设置成与铸膜液的表面张力更为接近，而芯液的表面张力更为疏远，结果却发现，通过这种方法制备得到的中空纤维素膜其并不能制备出我们所期望的孔径，反而会导致病毒截留能力的下降的现象。针对此现象，发明人进行了详尽的分析，结果发现，出现此现象的根本原因在于中空纤维膜与平板膜的结构本质上具有显著的不同。本技术中的制备方法其所得到的是中空纤维素膜，其在制备过程中不仅需要考虑铸膜液与凝固浴之间的表面张力的比值，还要考虑铸膜液与芯液之间的表面张力的比值。
16.液体的表面张力是由于液体表面上分子间的相互作用力而引起的，即对液体表面产生的拉力。发明人发现，当芯液和纺丝原液一起共同挤出至凝固浴中的过程中，当芯液的表面张力小于凝固浴的表面张力，此时凝固浴由于氢键作用较强，因此容易向外拉扯芯液，从而驱动芯液向外渗透，从而使得中空纤维素膜从外向内其分相速度依次加快，进而使得得到的中空纤维素膜呈现出我们所期望的从内至外孔径依次增大的目的。
17.本技术中铸膜液与芯液的表面张力比调节为0.8-1.15，而铸膜液与凝固浴的表面张力比调节为0.5-0.8。经过实际测试，通过调节这两个参数至上述范围，制备的中空纤维素膜可以具有非对称的多孔曲折结构。根据电镜结果显示，多孔进液面的孔径可以达到500nm-10000nm，远大于现有中空纤维素膜的进液面孔径。而多孔出液面的孔径为16-20nm，能够有效截留病毒等物质。相比现有技术，通过本方法制备的纤维素膜，其包含有多孔进液面的疏松层和包含有多孔出液面的截留层厚度所占比例更大。疏松层的厚度占整个膜的四分之一至三分之一，截留层的厚度也是如此。这样的设计可以大幅提升纤维素膜的水通量，
从而显著提高过滤效率，对于工业生产具有重要意义。此外，疏松层和截留层之间存在由连续纤维构成的纳污层。纳污层的孔径在20-500nm之间。当滤液中存在大蛋白聚集体时，纳污层可以将这些大蛋白聚集体截留，防止它们堵塞多孔出液面的滤孔，从而降低蛋白回收率。这一设计可以提高纤维素膜的稳定性和使用寿命。
18.最后，如上所述，由于铸膜液对芯液的牵引作用，使得纤维素在铸膜液分相过程中能够沿芯液的渗透方向产生定向排列，从而使纤维素分子保持紧密排列。这种排列状态使得整体中空纤维膜具有更高的拉伸强度和断裂伸长率。经过实际测试，使用本技术中的技术方案制备的中空纤维膜的拉伸强度可达5-20mpa，断裂伸长率可达60-150％。因此，本技术中制备得到的中空纤维膜的性能远超现有技术中的中空纤维膜所能达到的水平。这说明通过调控铸膜液与芯液的表面张力比和铸膜液与凝固浴的表面张力比，不仅能够调控纤维素滤膜的孔径，还能够提高其力学性能，从而获得具备更高拉伸强度和断裂伸长率的纤维素滤膜。
19.作为优选，所述步骤(s.1)中的铸膜液，按照重量百分比计包含：1.5-5％的铜，6％-15％的氨，6-15％的纤维素，0.1-3％的抗氧化剂。
20.通常而言，铸膜液中的纤维素的固含量越低，制备得到的膜的密度越低，因此制备得到的膜的孔径会越大，但是膜的力学性能，如强度、韧性等则会相应更低。而纤维素的固含量越高，膜的密度相对比较大，纤维素分子排列比较紧密，所以膜的力学性能也会相应提高，但是会使得膜的孔径会减小，膜的通量也会相应降低。
21.在制备纤维素滤膜时，一般纤维素固含量在1％～4％之间比较常见。然而，本技术中的铸膜液纤维素固含量较高，为6％～15％，明显高于传统的铸膜液。根据理论条件，采用高固含的铸膜液制备的滤膜孔径会偏小，从而降低水通量。
22.然而，本技术通过调节两个关键参数，即铸膜液与凝固浴的表面张力比和铸膜液与芯液的表面张力比，实现了对铸膜液在凝固浴和芯液中分相速度的控制。这种调节方法使得制备得到的纤维素滤膜的多孔进液面具有更大的孔径，而保持多孔出液面具有较小的孔径的同时，具有更大的孔面积。因此，通过这种方法有效保证了膜的通量和力学性能。
23.作为优选，所述步骤(s.1)中的铸膜液，按照重量百分比计包含：3-5％的铜，8-12％的氨，6-10％的纤维素，1-2％的抗氧化剂。
24.作为优选，所述铜的原材料为氢氧化铜、碱式硫酸铜、碱式碳酸铜中的一种或多种的组合。
25.作为优选，所述纤维素的原材料为竹纤维素、阔/针叶浆、棉浆中的一种或多种的组合。
26.作为优选，所述纤维素的分子量在8
×
104ꢀ‑
1.6
×
105之间。
27.作为优选，所述抗氧化剂为酚类抗氧化剂、酮类抗氧化剂、胺类抗氧化剂、有机酸抗氧化剂、无机酸及其盐类抗氧化剂中的一种或多种的组合。
28.作为优选，抗氧化剂可选为1、酚类：2,6-二叔丁基对甲酚、没食子酸丙酯、去甲二氢愈创木脂酸等、生育酚(维生素e)及其衍生物；2、酮类：叔丁基氢醌等；3、胺类：乙醇胺、异羟酸、谷氨酸、酪蛋白及麻仁蛋白。卵磷脂、脑磷脂等；4、有机酸、醇及酯：草酸、柠檬酸、酒石酸、丙酸、丙二酸、硫代丙酸、维生素c及其衍生物、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、甘露醇、山梨醇、硫代二丙酸双月桂醇酯、硫代二丙酸双硬脂酸酯等；5、无机酸及其盐类：磷酸及其盐类、
亚磷酸及其盐类，优选使用无机盐和酚类抗氧化剂。
29.作为优选，本发明通过改变铸膜液或芯液中至少一个的表面张力以调节铸膜液与芯液之间表面张力的比值。
30.作为优选，本发明通过改变铸膜液或凝固浴中至少一个的表面张力以调节铸膜液与凝固浴之间表面张力的比值。
31.作为优选，向所述铸膜液加入表面张力调节剂以调节其表面张力。
32.本技术中调控铸膜液与芯液的表面张力之以及调控铸膜液与凝固浴的表面张力之比的方式有多种，例如可以采用调节铸膜液自身表面张力的步骤以及调节芯液以及凝固浴的表面张力的步骤。
33.其中，当采用调节铸膜液自身表面张力的过程中可以采用向铸膜液中加入表面张力调节剂的步骤，从而能够对铸膜液的表面张力进行精准调控，从而降低了调节铸膜液与芯液的表面张力之以及调控铸膜液与凝固浴的表面张力之比这两个关键参数的难度。
34.作为优选，所述表面张力调节剂为丙酮、二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇、乙二醇中至少一种。
35.作为优选，通过改变芯液溶液的浓度调节其表面张力；通过改变凝固浴溶液的浓度调节其表面张力。
36.作为优选，所述芯液为浓度为60-90％的乙醇溶液，所述凝固浴为浓度为10-40％的乙醇溶液。
37.作为优选，所述芯液为浓度为70-80％的乙醇溶液，所述凝固浴为浓度为20-40％的乙醇溶液。
38.作为优选，所述步骤(s.3)中湿法纺丝速度为0.5-5ml/min，凝固浴与芯液温度为10-40℃。
39.作为优选，所述步骤(s.3)中湿法纺丝速度为1-2ml/min，凝固浴与芯液温度为20-30℃。
40.在湿法纺丝制备中空纤维素滤膜的过程中，湿法纺丝速度、凝固浴和芯液温度是影响中空纤维性能的关键操作参数。其中，湿法纺丝速度指的是纤维素溶液从纺丝孔中流出的速度。湿法纺丝速度的变化会影响纤维素溶液的拉伸和延伸程度，进而影响纤维素纤维的直径、孔隙结构和分布情况。过大的湿法纺丝速度会导致纤维直径增大和孔隙分布不均匀，而过低的湿法纺丝速度会导致纤维直径变小和孔隙度较小，进而影响中空纤维素滤膜的分离性能和通量。
41.本技术中通过控制湿法纺丝过程中的湿法纺丝速度在0.5-5ml/min范围、凝固浴与芯液的温度在10-40℃范围，从而得到具有高分离性能和通量的中空纤维素滤膜。
42.凝固浴以及芯液温度的变化会影响纤维素纤维的凝固速度和结晶程度。高温下，纤维素溶液的凝固速度会加快，使得纤维素纤维的凝固过程过快，导致纤维的结晶程度不够完全，纤维素纤维的孔隙结构较差，滤膜的力学性能和抗压性能受到影响。此外，过高的凝固浴温度有助于纤维素分子的快速凝固和胶体粒子的迅速聚集，使得纤维素纤维更加紧密。这将限制滤膜的孔隙度和通量，降低滤膜的分离效果。而在低温下，纤维素溶液的凝固速度会减慢，导致纤维素纤维拉伸和凝固过程时间延长。这会导致纤维径向的拉伸变得困难，纤维直径变小，滤膜的通量下降。同时，过低的凝固浴温度会使得纤维素分子凝固时结
晶程度不够，胶体粒子扩散速率减慢，纤维素纤维之间的间距增大，孔隙度较大。这可能导致滤膜的力学性能较差，容易出现孔洞和缺陷。
43.作为优选，所述步骤(s.4)中再生浴为浓度1-10％的酸溶液，再生温度为10-40℃，再生时间为3-15min。
44.作为优选，所述步骤(s.6)中再生浴为浓度1-10％的酸溶液，再生温度为10-40℃，再生时间为3-15min。
45.作为优选，所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、柠檬酸、苹果酸中的一种或多种的组合。尤其优选为硫酸。
46.第二方面，本技术还提供了通过上述方法制备得到的除病毒中空纤维素膜，包括呈中空结构的管状主体，所述管状主体包括疏松层和截留层，疏松层的一侧为多孔进液面，截留层的一侧为多孔出液面，所述疏松层与截留层之间以连续的纤维构成的纳污层过渡，其特征在于，所述多孔进液面的孔径在500nm-10000nm；所述多孔出液面的孔径在16-20nm；所述纳污层的孔径在20-500nm；所述疏松层的厚度占膜整体的四分之一至三分之一；所述截留层的厚度占膜整体的四分之一至三分之一。
47.本技术中的中空纤维素膜使用纤维素作为原材料。相较于聚醚砜(pes)滤膜而言，它具有良好的亲水性，并且对蛋白质的吸附量较低。因此，在过滤过程中，可以有效减少蛋白质的损耗。同时，从其结构可以看出，本技术提供的纤维素滤膜在多孔进液面和多孔出液面上的孔洞的孔径差异极大。多孔出液面上的孔洞的sem测量平均孔径为16-20nm，具有极强的对细小病毒的过滤效果。而多孔进液面的孔径甚至达到了多孔出液面孔径的25-500倍。它可以对待过滤的液体中的大颗粒杂质起到良好的过滤效果，并且能够保持多孔进液面的进液速率。此外，疏松层与截留层之间通过连续纤维构成的纳污层进行过渡。因此，本技术提供的纤维素滤膜在厚度方向上均匀变化。由于纳污层的sem测量平均孔径为20-500nm，它能够很好地截留各种大小的大蛋白聚集体，防止其堵住多孔出液面的滤孔，并降低蛋白回收率。
48.此外，本技术提供的滤膜中，疏松层和截留层的厚度占比较大。疏松层的厚度约占整体膜厚的四分之一至三分之一，截留层的厚度也是如此。因此，与目前中空纤维素滤膜相比，本技术中的滤膜远远超过一般水平。因此，本技术中的中空纤维素膜具有高孔洞面积率的特点，使待过滤液体能够快速通过纤维素膜。它能够保持较高的水通量，缩短过滤时间，并满足实际应用需求。
49.作为优选，所述除病毒中空纤维素膜的水通量结果为60-300l/m2/h@30psi；所述除病毒中空纤维素膜的pp7截留测试结果为lrv＞6；所述除病毒中空纤维素膜的pmi孔径分布结果为15-100nm；所述除病毒中空纤维素膜的厚度为60-150μm。
50.作为优选，所述除病毒中空纤维素膜的拉伸强度为5-20mpa；所述除病毒中空纤维素膜的断裂伸长率为60-150％。
51.中空纤维素膜的拉伸强度和断裂伸长率是评价滤膜机械强度的关键指标之一。在一定条件下，滤膜的拉伸强度越大，机械强度越优秀。拉伸强度是指膜材料承受平行拉伸力
的能力。在测试过程中，膜样品会受到拉伸载荷的作用，直到破坏，通过记录样品破坏时的最大拉伸载荷和膜样品长度的变化，可以计算出膜的拉伸强度和断裂伸长率。
52.本发明的滤膜具有出色的机械性能，拉伸强度可达5-20mpa，断裂伸长率为60-150％。这意味着本发明的滤膜具有较高的拉伸强度和断裂伸长率，在机械性能方面表现出色，并具有较高的工业实用价值。它完全能够满足市场需求。
53.因此，本发明具有以下有益效果：本技术通过调整铸膜液、芯液和凝固浴之间的表面张力比例，控制最终得到的除病毒中空纤维素膜的孔径大小。所制备的膜具有出色的病毒截留能力，并且保持了高水通量、高蛋白回收率和优越的机械性能。本发明中的这种方法大大降低了以天然纤维素为原料制备除病毒中空纤维素膜的难度，并且极大地提高了社会效益。
具体实施方式
54.下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
55.实施例1将分子量为1.1
×
105的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为8wt％，铜浓度为3.2wt％，氨浓度为6wt％，丙酮浓度为10％和亚硫酸钠为1wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的30％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的70％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
56.实施例2将分子量为8
×
104的棉浆泊和抗氧化剂生育酚溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为6wt％，铜浓度为1.5wt％，氨浓度为8wt％，dmac浓度为5％和生育酚为0.1wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的10％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的60％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
57.实施例3将分子量为1.0
×
105的棉浆泊和抗氧化剂叔丁基氢醌溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为10wt％，铜浓度为2.5wt％，氨浓度为10wt％，dmf浓度为8％和叔丁基氢醌为1.5wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以
0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的20％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的75％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
58.实施例4将分子量为1.3
×
105的棉浆泊和抗氧化剂谷氨酸溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为12wt％，铜浓度为4.5wt％，氨浓度为12wt％，甲醇浓度为12％和谷氨酸为2wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的35％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的80％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
59.实施例5将分子量为1.6
×
105的棉浆泊和抗氧化剂维生素c溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt％，铜浓度为5wt％，氨浓度为15wt％，乙二醇浓度为15％和维生素c为3wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的40％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的90％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
60.实施例6将分子量为1.6
×
105的棉浆泊和抗氧化剂维生素c溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt％，铜浓度为5wt％，氨浓度为15wt％和维生素c为3wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的10％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的70％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
61.实施例7将分子量为1.6
×
105的棉浆泊和抗氧化剂维生素c溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt％，铜浓度为5wt％，氨浓度为15wt％和维生素c为3wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的20％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的70％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤
维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
62.实施例8将分子量为1.6
×
105的棉浆泊和抗氧化剂维生素c溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt％，铜浓度为5wt％，氨浓度为15wt％和维生素c为3wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的10％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的75％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
63.实施例9将分子量为1.6
×
105的棉浆泊和抗氧化剂维生素c溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt％，铜浓度为5wt％，氨浓度为15wt％和维生素c为3wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的20％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的75％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
64.对比例1将分子量为1.1
×
105的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为8wt％，铜浓度为3.2wt％，氨浓度为6wt％和亚硫酸钠为1wt％的纺丝原液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的30％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的70％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
65.对比例2将分子量为8
×
104的棉浆泊和抗氧化剂生育酚溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为6wt％，铜浓度为1.5wt％，氨浓度为8wt％和生育酚为1wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的30％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的70％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
66.对比例3
将分子量为1.6
×
105的棉浆泊和抗氧化剂维生素c溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt％，铜浓度为5wt％，氨浓度为15wt％，乙二醇浓度为15％和维生素c为3wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的10％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的90％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
67.对比例4将分子量为1.6
×
105的棉浆泊和抗氧化剂维生素c溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt％，铜浓度为5wt％，氨浓度为15wt％，乙二醇浓度为20％和维生素c为3wt％的铸膜液。接着将纺丝液用纺丝泵从喷丝头的外喷头以0.8ml/min的速度喷出进入凝固浴(25℃的40％乙醇水溶液)，将芯液(25℃的80％乙醇水溶液)也从喷丝头内喷头以1.6ml/min的速度同时喷出，其中喷丝头的外喷头尺寸为外径0.6mm和内径尺寸0.4mm；纺丝速度为9m/min，保证纺丝液平均停留时间为60s，连续固化中空膜出料。将固化好的中空纤维置于25℃的硫酸溶液中5min，保证膜丝由淡蓝色完全转化为半透明，最后放入50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
68.实施例1～9以及对比例1～4中的铸膜液、芯液以及铸膜液的表面张力如下表1所示。
69.表1各实施例以及对比例的表面张力汇总表表1各实施例以及对比例的表面张力汇总表
70.【性能测试】检测方法分别如下：平均孔径测试：用孔径分布测试仪pmi进行测试，先裁切一定尺寸的膜，用不同浓度的乙醇将原先湿膜中的然后用低表面张力(15.6mn/m)溶剂(美国pmi设备商提供)进行润湿，然后放入测试槽内，最后通过干-湿线得到平均孔径和开始出泡孔径。
71.泡压测试：将得到的膜用低表面张力液体13.6mn/m(mtmnovectm7100))润湿后，对该膜用压缩氮气缓慢地施加压力，直至膜表面产生连续的气泡，此时的气体压力称为泡压
(mpa)。
72.流速：采用millipore的virusmax测试装置加25mm的不锈钢可换膜过滤器进行测试(蛋白质透过率实验和病毒过滤实验均采用此装置)，有效过滤面积为4.1cm2，使用温度为25℃的超纯水，压力控制在2bar下进行过滤测试。
73.表面张力测试：在25℃的环境中，使用dataphysics oca20(德国)设备并以吊片法为核心动态测试铜氨溶液的表面张力，待表面张力值稳定不发生明显变化。
74.截留层厚测试：通过sem截面图，测试出致密层的厚度。
75.拉伸强度的测试：用裁膜刀将测试样品剪成宽1cm，长8-10cm的小膜片，用微机控制电子万能试验机ld22.501量程范围0-50n进行拉伸强度的测试。
76.蛋白质透过率测试：配制一定浓度的igg蛋白质溶液(比如1g/l、5g/l等)，经过0.22μm的预过滤排除颗粒和蛋白质溶液的预聚体。然后同样采用millipore的virusmax测试装置加25mm的不锈钢换膜过滤器进行测试，用紫外分光光度计uv-5(梅特勒所制)在280nm波长下，进行吸光度的测试。透过率计算公式如下：透过率＝c1/c0
×
100％，c1为透过液浓度，c0为原液浓度。
77.病毒截留实验测试：使用多克隆抗体igg作为抗体溶液，向所得到的抗体溶液中添加5％的mvm鼠细小病毒和bvdv牛病毒性腹泻病毒，充分搅拌得到含有病毒的抗体溶液。采用millipore的virusmax测试装置加25mm的不锈钢换膜过滤器进行测试：lrv＝log10(c0/cf)；其中：c0表示含有病毒的抗体的原液的感染滴度，cf表示使用再生纤维素除病毒过滤膜后的过滤液中的感染滴度。
78.实施例1～9以及对比例1～4中的除病毒过滤膜的性能如下表2所示。
79.表2不同除病毒过滤膜的性能
80.从实施例1～9与对比例1～4的测试结果可知，只需要通过将铸膜液与芯液的表面张力之比调节为0.8-1.15、将铸膜液与凝固浴的表面张力之比调节为0.5-0.8不同低表面张力的溶剂调控铸膜液整体的表面张力，降低与凝固浴表面张力的比值，即可最终制得能截留20nm的再生纤维素除病毒中空过滤膜。铸膜液与芯液、凝固浴之间的表面张力的比值可通过将不同低表面张力的溶剂添加到铸膜液中，从而调控铸膜液整体的表面张力进行实现，该方法可操作性强且简便，最重要的所使用到的可调节表面张力的试剂都易获取。

技术特征：
1.一种除病毒中空纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：(s.1)将纤维素溶解于铜氨溶液，并配制成铸膜液；(s.2)除去铸膜液内部气泡形成纺丝原液；(s.3)将所述纺丝原液和芯液共同挤出至凝固浴中，通过湿法纺丝得到中空纤维膜丝；(s.4)将所述中空纤维膜丝经过再生浴再生以及水洗，得到所述除病毒中空纤维素膜，其特征在于，在步骤(s.3)之前将所述铸膜液与芯液之间表面张力的比值调节为0.8-1.15，将铸膜液与凝固浴之间表面张力的比值调节为0.5-0.8。2.根据权利要求1所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(s.1)中的铸膜液，按照重量百分比计包含：1.5-5％的铜，6％-15％的氨，6-15％的纤维素，0.1-3％的抗氧化剂。3.根据权利要求2所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，所述铜的原材料为氢氧化铜、碱式硫酸铜、碱式碳酸铜中的至少一种；所述纤维素的原材料为竹纤维素、阔/针叶浆、棉浆中的至少一种；所述抗氧化剂为酚类抗氧化剂、酮类抗氧化剂、胺类抗氧化剂、有机酸抗氧化剂、无机酸及其盐类抗氧化剂中的至少一种。4.根据权利要求1所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，通过改变铸膜液或芯液中至少一个的表面张力以调节铸膜液与芯液之间表面张力的比值；通过改变铸膜液或凝固浴中至少一个的表面张力以调节铸膜液与凝固浴之间表面张力的比值。5.根据权利要求4所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，向所述铸膜液加入表面张力调节剂以调节其表面张力；通过改变芯液溶液的浓度调节其表面张力；通过改变凝固浴溶液的浓度调节其表面张力。6.根据权利要求5所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，所述表面张力调节剂为丙酮、二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇、乙二醇中至少一种。7.根据权利要求4-6任一项所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，所述芯液为浓度为60-90％的乙醇溶液，所述凝固浴为浓度为10-40％的乙醇溶液。8.根据权利要求1所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(s.3)中湿法纺丝速度为0.5-5ml/min，凝固浴与芯液温度为10-40℃。9.根据权利要求1所述的除病毒中空纤维素膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(s.4)中再生浴为浓度1-10％的酸溶液，再生温度为10-40℃，再生时间为3-15min。10.一种根据权利要求1～9中任意一项方法制备得到的除病毒中空纤维素膜，包括呈中空结构的管状主体，所述管状主体包括疏松层和截留层，疏松层的一侧为多孔进液面，截留层的一侧为多孔出液面，所述疏松层与截留层之间以连续的纤维构成的纳污层过渡，其特征在于，所述多孔进液面的孔径在500nm-10000nm；
所述多孔出液面的孔径在16-20nm；所述纳污层的孔径在20-500nm；所述疏松层的厚度占膜整体的四分之一至三分之一；所述截留层的厚度占膜整体的四分之一至三分之一。11.根据权利要求10所述的除病毒中空纤维素膜，其特征在于，所述除病毒中空纤维素膜的水通量结果为60-300l/m2/h@30psi；所述除病毒中空纤维素膜的pp7截留测试结果为lrv＞6；所述除病毒中空纤维素膜的pmi孔径分布结果为15-100nm；所述除病毒中空纤维素膜的厚度为60-150μm，所述除病毒中空纤维素膜的拉伸强度为5-20mpa；所述除病毒中空纤维素膜的断裂伸长率为60-150％。

技术总结
本申请涉及膜分离技术的领域，尤其是涉及一种除病毒中空纤维素膜及其制备方法。本申请通过调整铸膜液、芯液和凝固浴之间的表面张力比例，控制最终得到的除病毒中空纤维素膜的孔径大小。所制备的膜具有出色的病毒截留能力，并且保持了高水通量、高蛋白回收率和优越的机械性能。本发明中的这种方法大大降低了以天然纤维素为原料制备除病毒中空纤维素膜的难度，并且极大地提高了社会效益。并且极大地提高了社会效益。


技术研发人员：马团锋 童聪聪
受保护的技术使用者：赛普（杭州）过滤科技有限公司
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/5