Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние некоторых жидких сред, способов и режимов стерилизации на структурные, деформационно-прочностные и фильтрационные характеристики полимерных мембран, используемых в медицине и микробиологии

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Влияние некоторых жидких сред, способов и режимов стерилизации на структурные, деформационно-прочностные и фильтрационные характеристики полимерных мембран, используемых в медицине и микробиологии"

Воессюзпый научно-исоледовательский проеятно-конструкторский институт прикладной биохимии

На правах рукописи БОЧКОВА Галина Борисовна

ВЛШШШ НЕКОТОРЫХ ШДКИХ СРЕД, СПОСОБОВ И РЕЖИМОВ СТЕРИЛИЗАЦИИ НА СТРУКТУРНЫЕ, ДШРШЩОШО-ПРОЧНОСТНЫВ И ШМРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОШМЕРН1Д МЕМБРАН, ЙСПОЛЬЗУБМЫХ В МЕДИЦИНЕ И {МИКРОБИОЛОГИИ

Саоциальность 03.00.23 - биотохналогет

Автореферат

днссортацаи на оопсханпо учёной степени кандидата тохшиоскшс паук

Москва - 1992

Работа выполнена в Нижегородском научно-исследовательское институте эпидемиологии и микробиологии.

Научный руководитель: к&щидат химических наук, старшШ нсуздш

сотрудник А. С. ШИН Консультант: доктор медицинских наук, академик Российской академии медицинских наук И.Н.БЛОХИНА

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.Д.ВОЛГИН;

кандидат техго;ч2ск:ас кау:; Л.0.3Е2РЕЭ

Ведущая организация: ВНИИ особо чистых биопрепаратов (г.Садкт-Петербург)

Защита диссертации состоится ^Нблс'^ < 199.2 1 в '¿С? час. на заседании Специализированного совета Д 098.07.01 Всесоюзного научно-исследовательского проектно-конструкторскогс института прикладной биохимии по адресу: 125299, г.Москва, ул. Кларц Цеткин, д. 4/6.

С диссертацией ыоено ознакомиться в библиотеке ВШШИ прикладной биохимии.

Автореферат разослан * 199^ г

« /

Отзывы ко автореферат, заверенные гербовой печать?, просим направлять на имя ученого секретаря специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совота Д 098.07.01 кандидат биологических ндук

И.И.Гусева

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы, К настоящему времени разработан довольно широкий ассортимент полимерных ультра- и микрофильтреиион-ных мембран, которые можно использовать в производстве ферментов, медицинских иммунобиопрепаратов, антибиотиков, вакцин, витаминов и других лекарственных веществ, а также для микробиологических анализов воды и воздуха, для контроля качества пищевых продуктов, иапитков и косметических средств, для выделения и концентрирования микроорганизмов в лабораторных и аналитических целях.

Несмотря на то, что морфология большинства мембран довольно хорошо выяснена, их дефектность и структурные изменения а реальных условиях работы: при воздействии разделяемого биологически активного раствора, давления, температуры, стерилизации остается практически неизученными, что затрудняет юс применение в медицинской биотехнологии и других областях, предъявляющих наиболее жесткие требования к качеству мембран.

Последствиям стерилизации мембран стандартными методами (ОСТ 42-21-2-85; Государственная фармакопея СССР,, - П., 1990. -Т.2. - С.19-24) практически не уделялось внимания, хотя существую? отдельные сведения о ее влиянии на эксплуатационные параметры микропористых пленок.

Но проводилось и систематического исследования деформацион-ио-прочкостных характеристик мембран не только при воздействии на шзс фильтруемых срэд и стерилизации, но часто дам к сухихв яотя зяанкэ этих характеристик совершенно необходимо как для оп-рздо.-гннЕ восггоглого диапазона использования мембран и прогнози-рэзанш 15х поподенкл нзпосрэдстваино з процесса фильтрации» так и пра кзготозясшти фильтрующих устройств.

Актуальность дпессртацкн связана с распиреипем предстаэхе-кпй о ззакмодеПствш с фильтруете«! яидксстяни поягалерншс мембран, прялзняег-сгзг п кздац::нз, микробиологии н биотехнологии» а тагтэ с получением нота сведений о влиянии различных способов и рзтниов стсрияпзацпп па структуру, фяль?рацио!1тгз я чзхагагчво-ккэ хароктсрпстагш мембран с цвгьо выбора огсгкзальиого способе» стерилизации для каздого их тпяа, обеепечяэеэщёго одиогу^шйэ падсяноб обеззаргяшзапкз я ^ггягггэп&пь-з кгиен<ятот.

Цель л задачи работы. Целью работы явилось изучение изменении структурных, деформационно-прочностных и фильтрационных характеристик полимерных мембран под воздействием некоторых жидких сред, фильтруемых в медикобиотехнологических производствах, и различных видов и режимов стерилизации.

Исходя из этой цели, были поставлены следующие задачи:

1. Изучить структуру мембран и ее дефекты.

2. Получить диаграммы растяжения мембран и изучить влияние воды, тиэраствора, растворов этанола и белков на прочностные и деформационные характеристики мембран.

3. Установить предельные нагрузки для каждого типа мембран, при которых существенно не изменяются их фильтрационные свойство.

Изучить воздействие стерилизации сухи.! жаром, водяным пором, обработкой 2$-ным раствором формальдегида и 6%-нш раствором перекиси водорода, ультрафиолетовым и X - облучениями на структурные, деформационно-прочностные и фильтрационные, такие как производительность, селективность, способность задерживать микроорганизмы, газодиффуэионные параметры, точку пузырька, сорбционную активность к белкам, - характеристики.

5. Подобрать наиболее мягкие способы и режимы стерилизации мембран, вызывающие минимальные изменения их эксплуатационных характеристик.

6. Выявить последствия структурных изменений для эксплуатационных характеристик мембран с цельв их прогнозирования.

Научная новизна. Впервые детально исследовало влияние стерилизации водяным паром, сухим каром, и облучениями, обработкой 6Й-НЫ34 раствором перекиси водорода и 2£-ным раствором формальдегида на полимерные мембраны, используемые в медицине, микробиологии и биотехнологии.

Впервые получены полные диаграммы растяжения мембран: сухих, смоченных фильтруемыми в процессе производства медицинских препаратов жидкостями, а такте после стерилизации.

Изучена дефектность структуры мембран и впервые проведен ыорфоыетрический анализ структуры до и после стерилизации, на основе которого прогнозированы последствия стерилизации для эксплуатационных характеристик ыембран.

Обнаружена и объяснена анизотропия их механических свойств и структуры.

Впервые проанализированы причини и эффекты воздействия сте-иизации на линейные размеры мембран и их фильтрационные харак->ристики: производительность, селективность, точку пузырька, (определение пор по размерам, эффективность извлечения микроор-шизков, способность к сорбции белков, гвзодиффузионные пара-

!ТрЫ.

Полученные данные расширяют представление о взаимодействии химерных мембран как неравновесных систем с рядом жидкостей, ¡льтруемых в производстве лекарственных средств, и воздействии i них факторов окружающей среды и стерилизации.

Практическая ценность. В работе даны рекомендации по примени» и методам стерилизации различных типов мембран, позволя»-ie улучшить качество медицинских препаратов, в том числе па-¡нтеральных, за счет повышения надежности стадии фильтрации, »лученные данные представляют также интерес для разработчиков ;мбран в смысле возможности целенаправленного изменения их ■руктуры и эксплуатационных свойств. Необходимы они и при кон-;руировании фильтровальных устройств со сложным образом уложен->й в них мембраной с целью создания большей фильтрующей поверх->сти, предназначенных для осветляющей, стерилизующей и ультра-1льтраций биологически активных веществ.

Апробация работы. Отдельные части настоящей работы докла-гаались на Всесоюзной конференции "Мембранные процессы в био-:хнологии, медицине и пищевой промышленности" (Москва, февраль )91 г.) и на У Всесоюзной конференции по мембранным иетоддм юделения смесей (Суздаль, декабрь 1991 г.). Диссертация апро-фоаана на совместном заседании проблемного семинара по биохи-ш и генетике и членов Ученого совета Нижегородского НИИ опи-ЙЯЮЛОГИИ и микробиологии.

Публикации. Основикз положения диссертации опубликованы п ) печатных ^ботах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит з введения, вести глаг, заключения, выводов, списка цитируемой иературы (112 библ. ист.) и 4 приложений. Оеяопной такс* га-57.сн на 194 машинописных страницах и включает 28 тяблпз, 37 сивков. Общий объем - 221 страница.

П. основное содержание диссертационной работы

!Í2S§E!lMkLiLü£T2ñíi* Объектом исследования служили мембраны "Владипор" (НПО "Полтерсинтеэ" и ПО "Тасма") из целлюлозы и ее ацетатов типов ЬЩ, Í.í4a-A, MSA-MA, МФА-Ш, ЫФАС-ОС, из фгоро-пласта-42 с полипропиленовой подложкой и без таковой типов МФ9, МФ2К, У5ФК, из полисульфонамида-4Т на лавсановой подложке типа УПМ, мембраны из капрона типов МИФИЛ 1-2-0,2 (Э.Л. р/к "Хийу Калур") и ФША (ВНИИ Медполимер); из лавсана Ж<5 (ЛЯР ОИЯИ); из нитрата целлюлозы (ВНИИ Медполимер), а также зарубежные мембраны из смешанных азотно- и уксуснокислых эфиров HAW Р ("Милли-пор"), нейлона "Ультипор" í¿ 66 hug ("Лалля)а из фторопласта-4 Sil 1Í806 ("Сарториус").

Микрофотографии мембран получены на оптическом к электронных сканирующих микроскопах (мбс-15, jsm-840, js;.¡ -50а). Ыорфомзтричзский анализ структуры мембран выполнен с помочь» системы обработки изображений " Videclab 2=2

Изучение деформационных кривых при растяжении мембран проводили с помощью установки УКМП 0,05/500-1.

Точку проскока пузырька воздуха и газодиффуэионныз параметры мембран измеряли на установке "Sartochek- IIй и "Snrtochek-i000"o , Количество частиц подсчитывали с помощью лазерного анализатора микрочастиц ЛАМ-2. Содержанке белка в пробе определяли микроб иур о то HHí-i методо?^ на спектрофотометре 02-26.

В качестве тест-культур использовали Pseudoaonos diminuta, Serratas ¡narcos cena, Bacillus subtillo, Saccharoaycoa ludw±eü0

Для фильтрации применяли аппаратуру собственного изготовления .

Парокую сг'сркгиэецгсо осуществляли в pexiaax: I) Т » Х21°С» t» 45 мин5 2) Т » П0°С, Т- 45 мин; 3) Т » Х21°С, "£«15 шш; 4) Y и ИСРС, Г- 15 ими г 5) Т в Х32°С» «»20 шт.

Сухопаровув стерилизацию проводили при 160°С в «еченио 150 мкн. •

Доза Уй-облучення составляло 1,4 б/м3, доза Ц- облучения -2еБ Мрод.

Обработку мембран 6%-яш раствором перекиси водорода проводили в уечение 6 час , 2%-нт раствором формальдегида - в ?очз-

кие 24 час.

.Статистическую обработку результатов проводили с использо-анием ЭВМ. Погрешность измерения оценивалась по критерию гыодента с доверительной вероятностью 0,95.

Изучение структуры мембран и дефектов,образующихся в процессе Их -формования и эксплуатации

Дефекты фазоинверсных мембран вызваны в основном неравно-;рньдо образованием геля и помутнением. Они проявляются в виде эожилок, канавок, выбоин, утолщенных и уплотненных бляшек,снеток, пятнистости поверхности.

Плотность дефектов на активной поверхности фазоинверсных гмбран - 1-500 на см*% среднее их количество - 120 на см^. зедняя плотность дефектов обратной стороны мембран - 12 на см^.

Большинство фазоинверсных мембран имеет продольную полоса-зсть, вызванную, во-первых, плохой механической обработкой но-1 щелевой фильеры, приводящей к принудительной ориентации поли-;рных цепей формующейся пленки, а во-вторых, отеканием ее по юиндрической поверхности вращающегося барабана. Такая мембрана «еет ориентированные структурные элементы и поры.

На примере мембран типов МИФИЛ, МФА-А, М5Ц и МФФК показано, ?о наибольшую ориентацию имеет верхний слой мембраны, коагули-гсощий при формовании быстрее матрицы (рис.1).

?ис.1. Диаграчмы ориентации мембран МФЦ $ 2: ?. - скг/рная поверхность, б - крупнопористая поверхность, в - скол. Значения анизотропии, %: а - 7,7*; 6-2,5; в - 13,2

Фильтруемые в процессе производства лекарственных средств жидкости вызывают существенное набухание (10—110 масс.%), увеличение линейных размеров (до 14%) и уменьшение диаметра пор у гигроскопичных мембран из полиамидов,, целлюлозы и ее эфиров. Наибольшее набухание и изменение размеров наблюдаются в направ лении, перпендикулярном оси ориентации макромолекул полимера.

В процессе исследования было также выявлено, что все обще принятые методы стерилизации изменяют структурные параметры полимерных мембран.

Сухожаровая стерилизация по ОСТ 42-21-2-85 для них совершенно неприемлема, так как характеристические температуры обра^ зухлцих их полимеров лежат ниже температур термообработки. Сухо^ жаровая стерилизация вызывает сильную усадку, деформирование мембран и контракцию их пор. Исключение составляют мембраны из фторопласта-4 марки S.M II806.

Паровая стерилизация по ОСТ 42-21-2-85 также приводит к усадке большинства мембран преимущественно в продольном к оси ориентации макромолекул полимера направлении, которая может достигать величины 14%, а у мембран МФО даже 30%. Мембраны ММЩ и ПНЦ, наоборот, в обоих направлениях "самоудлиняются" на 31-332 и 4,4-5,7% соответственно. У ряда мембран наблюдаем ся усадка в одном направлении и удлинение в другом (МЙА-А J.» I, Í2.ÍS, МёА-МА íí 8). Поэтому паровая обработка мембран, закрепленных в фильтродержателе вызывает сильное деформирование и даже разрыв мембран из капрона, целлюлозы и ее ацетатов. Мембраны МФ5 при этом растрескиваются к привариваются к фильтродержа-телю.

Все эти изменения обусловлены релаксацией макромолекул полимера выше температуры его стеклования.

Структура активной стороны мембраны МФА-А после автоклави-рования з фильтродержателе из почти ячеистой превращается в ретикулярную, а структура крупнопористой поверхности, напротив, из глобулярной становится ближе к ячеистой с меньшим на 22% периметром.пор (рис.2).

'ис.2. Влияние патовой стеоилизаиии на стпуктуру мембран ФА-А I: а - до" стетзилизации, б- после автоклавированкя фильтггодетзжателе (Г= 12ГС, X * 45 мин); I - мелкопористая торона", П - крупнопористая

У мембран М$Ц наблюдается существенное укрупнение струм ных элементов, вызванное коагуляцией макромолекул полимера п} автоклавировании в фильтродержателе. Автоклавирование мембран КЩ в свободном состоянии приводит к релаксации их структуры ретикулярной в ячеистую.

При паровой стерилизации в фильтродержателе- у всех мемб] на 4-23% уменьшается пористость и изменяется ориентация пор. У большинства микрофильтров происходит уширение спектра расп] деления пор по размерам и возрастает вероятность появления 01 дельных укрупненных пор (рис.3). Их диаметр увеличивается ш 0,15-0,6 мкм. В то же время максимум распределения пор по раг рам сдвигается на 0,15-0,6 мкм в сторону более мелких пор.

01 0,2 0,4 0,8 1,5 3 6 ; 12 ОД 0? ■ 0.4 ф 1,5 3 6

Рис.3. Распределение пор мембраны МФЦ № 2 по размерам, а - мелкопористая сторона, б - крупнопористая: I - до стер1 лизации,.2 - после автоклавирования в фильтродержателе (Т = 121 С, 45 мин), 3 - после обработки 2£-нш раствором формальдегида, 4 - после обработки 6%-ным раствор •перекиси водорода, 5 - после У- облучения.

Диаметр пор

ф, мк

/

Из исследовавшихся химических агентов, предлагаемых 7? 42-21-2-85, существенное влияние на структуру мембран сазывает лишь формальдегид: его действие приводит к увеличению !сметра пор на 0,2-0,5 мкм. Перекись водорода сдвигает максимум »определения пор по размерам на 0,3-0,4 мкм в сторону более >упньк пор только у гидрофильных мембран. Пористость возрастает иске только у них, причем после действия обоих химических ве-¡ств.

У мембран из целлюлозы и ее ацетатов при химической стерили-щии происходит контракция пор и уменьшение размеров структур-к элементов. Средний диаметр пор снижается на 0,1-0,6 мкм. жсимум распределения пор по размерам смещается в сторону *олее ;лких пор на 0,15-0,3 мкм (рис.3). Ориентация структуры мембра-I !.Щ увеличивается на 1-12%, ЫЗА-А I - повышается только при ¡йствии формальдегида (на 1,4-5,0%); обеззараживание же ее пе-¡кисью водорода, напротив, уменьшает анизотропию структуры в

0-2,3 раза.

У капроновых мембран после химической стерилизации наблюда-■ся увеличение размеров структурных элементов, особенно при ¡Пствии перекиси водорода. Средний диаметр пор при действии пе-киси увеличивается на 0,1 пш, при обработке формальдегидом

0 увеличение наблюдается только на мелкопористой стороне. В

1 "О время максимум распределения пор по размерам сдвигается на

1-0,2 мкм влево. Пористость скола уменьшается на 16-292, а улнопористой поверхности - на 7-10%. Пористость ~.е активной ■оронн мембраны , наоборот, возрастает на 7-10%. Действие ¡этр-льдгтпда приводит к угэлаяета анизотропии структуры на (-9СЙ.

Вез отп кгменеиия визпскн, по-видимому, деструкцией пояккэ-' п при их хетической обработке: у мембран из целлюлозы и ее ::ров при стерилизации формальдегидом - возникновением мостико-~ связоП -О-СН^-О-, при обработке пергкисьэ водорода - огсне-готси г.эрппчных СП-групп до альдегидных, одной пз пторпчт^ -групп - до г.етегруташ и гпикоязпнх группировок с р&">татзси ня~ лозногэ цикла; у капроновое ::ег:брсн - опнеленпем кетогрупп; фторопластовых - окислением различных прггмссеЯ, вюютенпЯ п лпятнх к полизгашлнденфггорпду азотистых осноэашй» а тагггз :ислзнисм под действием емта полипропиленовой подлатал.

Г-облучение мембран приводит к уменьшению на 3-102 их пористости, уширению распределения пор по размерам (рис.3), увеличению числа укрупненных пор, заметному изменению структурной анизотропии. Все эти аффекты обусловлены деструкцией полимера, возникающей вследствие разрыва связей в главных цепях макромолекул и его сшиванием путем образования поперечных связей между этими цепями, а также изменением его кристалличности при радиоли зе.

Анализ структурных изменений мембран позволяет прогнозировать и изменения их функциональных параметров.

Изучение влияния некоторых жидких сред на фильтрационные, деформационные и прочностные характеристики мембран

В большинстве случаев материал мембраны взаимодействует с фильтруемыми кидкостями либо с протеканием химических реакций, либо путем их адсорбции, либо абсорбируя их. Характер этого взаимодействия определяет степень изменений рабочих характеристик мембраны в процессе фильтрации, как деформационно-прочностных, так и "пропускных".

Из рис.4, 6 видно, что диаграммы растяжения полимерных мембран представляют собой типичные кривые деформации аморфно-кристаллического полимера. Как и у монолитных полимерных пленок, у мембран обнаружена значительная анизотропия всех их деформационно-прочностных характеристик, причиной которой является ориентация цепей макромолекул полимера при их формовании. Коэффициенты анизотропии по разрывной прочности ( &? ) могут достигать значения 4 и более» по разрывному удлинению (£р ) - 8 (например, у "Сарториус" БЫ 11806, МФА-А I? I).

Разрывные и максимальные прочности у сухих мембран из фто-ропласта-42 (МФФ) и мембран из целлюлозы и ее ацетатов составляют величины 40-250 сН/мм2; из нитратов целлюлозы - 250-500сН/кы' из капрона - 300-700 сН/мм; из нейлона с каркасом из полиэфирной ткани (Ультипор I? 66 то) - 766-1ИС сН/мы2; из фтороплас-та-4 ("Сарториус" БЫ 11806), из лавсана (ЯМФ), а также у композитных мембран, имеющих подложку из нетканого полипропилена или лавсана (УПМ и №К) - 4-57 Н/мм2. Разрывные удлинения практически всех сухих мембран лежат в пределах 3-4ОЙ. У мембран

:с.4. Влияние жидкостей-пластификаторов на диаграммы растяжения мбран: а - МФЦ " 2, б - МФА-МА ¡.< 4; I - сухие, 2 - в воде, - в 20Е5-ном растворе этанола, 4 - в 2$-ном растворе иммуно-■обулина человека. Здесь и на рис.5: II - растяжение вдоль ¡и ориентации полимера, Ь. - перпендикулярно к оси

1с. 5. Зависимость механических характеристик ЯМЗ при растяяении водных растворах этанола от их концзнтрщлт: - прздел проч-1сти, 0>р " разрывное удлинение,вг? - прздол пропорциональное?!!

[с.6. Диагрднмы растяжения нембраи УКК прп их сывчлваниц ¡створами этилового спирта: I - сухие мембраны, 2 - в 20%-ном ¡створе этанола, 3 - в 96%-ном растворе этанола, 55 - раетп-отш»» (оль полотна мембраны, 1 - поперек полотна

"Сарториус" гм П606 в перпендикулярном к оси ориентации макромолекул фтороплссто-4 величина бр достигает 770%. Обратимые деформации у всех мембран не превышают 1-2%.

1!з тех >хе рис. 4-6 видно, что ад- и абсорбция фильтруемой среды на мембране могут сильно влиять на ее деформационно-прочностные свойства.

Адсорбция понижает поверхностную энергию полимера и облегчает раскрытие кп.чропустот, а также увеличивает число мест локализованной пластической деформации. Все механические характеристики мембраны снижаются. Причем это снижение тем больше, чем выше содержание поверхностно-активного вещества в растворе (рис.Е Таков механизм действия растворов этанола на мембраны Я.МФ и ЖЧ. Абсорбция приводит в пластификация полимера, вызывающей, с одной стороны, снижение прочности вследствие уменьшения межмолехуляр-ного взаимодействия, а с другой, ее увеличение, обусловленное возрастанием сегментной подвижности макромолекул, ведущей к увеличению ориентации полимера. Наблюдаются случаи, когда в одном направлении прочность возрастает, а в другом падает (рис.46). Пластические деформации мембран, как правило, увеличиваются в 1,5-6,5 раз (рис.4).

Пластифицирующее действие оказывают все перечисленные выше жидкости на мембраны из полиамидов, из целлюлозы и из ее эфиров.

Результирующий эффект влияния спиртовых и белковых растворов на мембраны ЫФ5, МКК, УПМ определяется соотношением вкладов пластифицирующего и адсорбционного механизмов взаимодействия. Все механические параметры могут как увеличиваться, так и уменьшаться, причем в разных направлениях мембраны эффект различен. При воздействии на гидрофобные фторопластовые мембраны спиртовых растворов небольших концентраций адсорбционный механизм оказывается преобладающим» мембраны "охрупчивоятся". При увеличении содержания спирта в его водных растворах доминировать начинает абсорбционное взаимодействие (рис.б).

Влияние кидкостей, фильтруемых в ыедикобиотехнологических производствах, таких как вода, физраствор, растворы этанола и белков, на мембраны из полиамидов, целлюлозы и ее эфиров проявляется в увеличении их точки пузырька и снижении проницаемости в результате их анизотропного набухания.

Исследование фильтрационные характеристик мембран до и после стерилизации

Паровая стерилизация вызывает гуцестиеннпе изменения фильт-.ционных характеристик практически всех иидоо мембран. Причем токлазирование в фильтродерггатело приводит к суиестм.-нно льаему их изменению, чем при свободно.! ролаксаиии мембран.

Обработка парсм при 120°С а течение 45 минут угеличию.ет ■оизводительность мембран из пеллялозы и ее г.^ирщ, стсрилияуе-х в фильтродергсателе, на 16-1165 (рис.7а), Это хп уьеличонио незакрепленных мембран на 12-7К меныле. У фторопластовых мемб-н ото увеличение составляет 37-ЭСО^ и 0-6(7!. соответственно ис.7б). У мембран ЖГЛЛ и УТШ-67 наблсдзется обратная картина: оницаемость 'ЛУЛУЛ снижается на 2К при закреплении ее г фель?-деряателе и на 28^ при стерилизации без фиксаиии, у УПМ - на и 67% соответственно. Проницаемость ЯМЗ при автоклавировянии фильтродеряателе увеличивается в 2 раза, а при свободно« ре-ксацил падает на 593.

Для мембран из капрона, целлюлозы и ее эфиров изменение о..зводительности, вероятно, определяется их структурными изме-ниямн, а для композитнж фторопластовых и лавсановых - измене-ем гидрофильност;г матрицы мембран.

Селективность больпинства мембран после их автоклавированил няется несущественно, но для мембран из целлюлозы и со эфирсв рактерно появление в фильтрате частиц размером 1-3 мки, вероят-, оторвавшихся от полимера в результате сдвиговых напряжения I! его релаксации (рис.8). Селективность гидрофильных мембран фторопласта-42 увеличивается на 20-50^, эффективность извлече-п частиц - на 6-12%, а тонкость фильтрования уменьшается на 2-0,6 ш:м.

Точка пузырька мембран после азтоклавировзния может либо зличипаться, либо уменьшаться. Для большинства мембран эти изменил но превызолт 3-9%, а у «ембргн НКК они составляет -1003 от исходного значении.

0 наругенш! структуру мембран после паровой стерилизации ддстельстзует появление диффузионного потока воздуха шгг.е даз-шя точки пузырька. Для иембрен из целлюлозы и ее ацетатов I ? в 0,1 Ш1а скорость ДНффузШ! ногат доходить до

V .мл/сы2

Рис.7. Зависимость производительности мембран МЗАС-ОС 1- 3 (О) и ¡ИСК № 34 (б) от объема прошедшей воды. Здесь и на рис, 6: I - мембраны до стерилизации, 2 - после Уй-облучения, 3 - пос ле обработки 2Й-ным раствором формальдегида, 4 - после обработки 6%-ным раствором перекиси водорода. 5 - после автоклави рования в фильтродержателе (Т => 12(гС, Ъя 45 шш), б - после автоклавирования в свободной состоянии (Т в 12(гС» X « 45 ш»

Рнс.8. Зависимость селек-тишости мембран USA-BU Р от размера фильтруемых частиц: 1-6 - си.подпись к рис.7

Í5

,4 мл/см^ мин, для М'ЗЖ - до 12 мл/см2 мин, для :,WJ¡ - до ,4 мл/см мин. У мембран ЯИ, "Ультилор" № 66 :.'на скорость диф-узии не превышает 0,08 мл/см2 мин.

Испытание мембран методом задеп~ки тест-микроорганизмов ;eudo:nona;j diminuta, Serrrxtia -u-c^^::.], HnaUi'tf .uibtllla, iccharor.iyces ludv;ir;ii показало, что стерилизующие марки гмбран МИ2ИЛ, ШФ, КФА-А, .'ДЦ, MíAC-OC после автоклапировлиия в ринципе пригодны для стерилизующего фильтрования термолабильных (»логически активных жидкостей.

В то же время отдельные партии гидрсфобшк мембран HívK $ I 14 после их автоклавирования пропускает тест-культуру Ра. dl-.nuta , средние размеры которой составляют 0,22 мкк. Более того, у^ытание мембран ¡«¿Ж с паспортным размером пор 0,25-0,6 ми.! ¿явило, что после паровой стерилизации этот размер оказывается 2-3 и более раз меньше реального, определенного методом задерт-I тест-микроорганизмов. Причем, если у отдельных марок мембран ЙК с паспортным диаметром пор 0,45 мкм ноблгдал.псь задержка штсрий Зег. пагсеаоопа с размером 0,5 мкм, то мембраны с боль-ош порами после автоклавирования пропускали соответствующие им ¡ст культуры. Меньшая устойчивость к паровой стерилизации мемб-ш с более крупными порами вполне объяснима тем, что такие итб-¡ны, находясь в состоянии более далеком от равновесного, чем ¡лкопористые, способны к более сильны.: релаксациям.

Испытания методом задержки бактерий гидрофильных мембран Ü5K выявили у некоторых марок контракцию пор после паровой сте-[лизации.

Сорбционная способность к белкам после стерилизации паром зрастает только у мембран MSíK, что, по-видному, связано с : гидрофилияацией (Хабл. ). Увеличение сорбции при повышении со-ряания белка в фильтруемом растворе выявлено не было.

Исследование химических методов стерилизации показало, что ¡работка мембран как 6%-кым ргстяором перекиси водорода, таг. и 'r-mst раствором формальдегида вызывает их окислительную дест-г1сцию и изменение некоторых фильтрационных к газодиффуоионных фактеристик.

Проницаемость мембран из зфиров целлюлозы после стерилкзе-ш обоими химическими агентами увеличивается на II-300X (рис.7а).

Таблица

Влияние паровой стерилизации (Т = 120°С, 45 мин)

но сорбцию бычьего альбумина мембранами

Марка мембраны Величина сорбции, %

До стерилизации После автокла вирования

1№ЛЛ 1-2-0,2 4,8 4,8

4,8 4,8

НФЦ-2 0 0

гидрофильная 4,8 8,7

1МК-14 гидрофобная 4,8 4,8

Примечание: Со я I и 85 г/л

Увеличение производительности после воздействия перекиси водорода происходит и у мембран УПМ (на 4£$). Зти изменедая, по-видимому, обусловлены повышением гидрофильности мембран.

Производительность мембран Н£Ц после химической стерилизации, напротив, снижается в 2,5 раза. Вероятно, ото - результат снижения размеров их структурных элементов и пористости.

На начальную проницаемость мембран И2&К, а также полиамидных микрофильтров, хшическая стерилизация не влияет (рис.76). Уменьшение скорости фильтрования в 2 раза наблюдалось такгле у ядерных мембран.

Влияния химических веществ на селективность и тонкость фильтрования у большинства мембран пэ обнаружено. Только для ацетатцэллюлозных мембран поело их стерилизации перекисью водорода отмечено появление в фильтрате частиц размером 3 ыкм и более', вероятно, отщзшивдкхся от полимера в результате окнбле-ния его ацетильных групп (рис.8). Обнаружено диффузионное течет:

здуха у мембран МФЦ и HAWP после их стерилизации перекисью во-рода (0,030-0,083 мл/см^ мин при Р = 0,1 Ща), у полиамидных лбран после их обработки формальдегидом (0, (jS83 мл/см^мин) и у лбран типа МФФК после стерилизации обоими х^ическими агентами э 4,6 мл/см^мин). У отдельных марок последшрс отмечается также мнение точки пузырька как в сторону увеличения, так и в сторо-•уменьшения. Неоднозначные изменения точки цудырька и значений цения давления на мембранах за счет диффузии воздуха свидетель-вуют о сорбции ими пузырьков воздуха и неравномерном смачивании ¿бран.

Испытание методом задержки бактерий Рз.diminuta всех иссле-эмых стерилизующих мембран, обработанных как перекисью водоро--, так и формальдегидом, не выявило проскока ¡этих микроорганиз-в в фильтрат.

На основании приведенных результатов можно сделать заключе- ' з, что наибольшую химическую деструкцию мембран из целлюлозы зе эфиров, лавсана, фторопласта-42 и полисульфонамида вызывает рекись водорода, а из найлонов - формальдегид. В то же время -¡кость фильтрования мембран изменяется незначительно, что позво-зт в принципе при* текущем контроле за состоянием мембраны исполь-вать оба химических вещества.

Обнаружено, что у- облучение увеличивает праницаемость лбран МИФИЛ на 1Ь% и ЯМЗ на 38% и снижает ее у МФА-А на 19% л отсутствии изменений точки пузырька. Увеличение проницаемости едетельствует о возрастании гидрофильности -матрицы мембран, ^исходящем, видимо, в результате укорочения ¡алифатических участ-з макромолекулы вследствие сшивания за счет Двойных связей, разевавшихся при деструкции главной цепи полимера. Снижение, роятно, объясняется радиационным структурированием и возрастаем плотности некоторых участков мембран, а также»|уменьшением пористости и размеров структурных элементов|. Достоверных изгний пропускной способности остальных фильтров не обнаружено, деструкции мембран из эфиров целлюлозы и фторопласта-42 сви-гельствует появлении диффузии воздуха через них. Для НА V/ Р эрость диффузии при Р = 0,1 Ша составляет величину >1 мл/см^мин, для МФ4К - 1,5-9,8 мл/см^мин. У остальных мембран Ёфузионное падение давления отсутствует.

Влияния УО-облучения на проницаемость, точку пузырька и га зодиффузионные характеристики мембранных фильтров не наблгодалос Выявлено лишь небольшое понижение селективности мембран М5Ц и НА^Р, обусловленное, по-видимому, фотохимическим окислением целлюлозы и ее эфиров кислородом воздуха.

Таким образом, УФ-облучение вызывает минимальные изменения фильтрационных характеристик мембран.

Проскока культуры Рз. diminuta через все стерилизующие мембраны, подвергнутые У - и УФ-облучениям, не обнаружено.

Таким образом, способность мембраны извлекать из воды частицы и скорость фильтрации зависят от способа стерилизации.мемб ран.

Исследование прочностных и деформационных характеристик мембран до и после стерилизации

Как видно из рис.9-10, автоклавирование приводит к уменьшению анизотропии механических свойств мембран и даже к изменению оси ориентации полимера, снижению их деформируемости (в 1,5-5,0 раз), повышению "жесткости" (в 1,2-2,5 раза). При $том прочность большинства мембран понижается. Это понижение . может достигать величины 505?. У мембран 2МПА - 0,8, МФА-МА № I и № 2, МФ5К № 2 и УФЗК прочность, напротив, возрастает в 1,1-1,2 раза, а у МИ? при их обработке паром при 132°С в течете 60 мин - даже в 5-6 раз (рис.9).

У мембран марок МС5А-МА № I - 4 после автоклавирования меня< ется сам характер диаграмм растяжения (рис.10).

После химической стерилизации мембран деформируемость большинства из них также уменьшается в 1,1-3,4 раза. Исключение составляют гидрофильные мембраны МФЖ № 2: их удлинение при разрыв! увеличивается в 1,1-1,8 раза. Возрастает эта величина и у мембран МФА-А при их растяжении в направлении оси ориентации макромолекул.

Прочность всех мембран, кроме фторопластовых, после химиче! кой стерилизации снижается в 1,1-2,0 раза (рис.10). У большинства же фторопластовых она увеличивается в 1,1-2,4 раза.

Рис.9. Влияние паровой стерилизации нр диаграммы растяжения мембран МФФ № 3:1 - мембраны до стерилизации;

2 - после! автоклавирования: Т = 121 б, х= 45 мин;

3 - посде: автоклавирования: Т = 132°С', 60 мин;

II и X - растяжение вдоль и поперек, полотна мембраны соответственно

Рис.10. Влияние паровой и химической стерилизаций на диаграммы растяжения мембран 1Ш (.1,2,4) и М5А-МА № Ъ (I', 2' , 3') в перпендикулярном к оси ориентации полимера направлении:

1 - мембраны в воде,

2 - после автоклавирования 7Т = 120 С, X = 45 мин),

3 - после обработки 2%-ным раствором формальдегида,

4 - после обработки 6%-ным раствором перекиси водорода

Анализ изменений механических свойств мембран подтверждает, [то и формальдегид, и перекись водорода вызывают деструкцию [ембран из целлюлозы и ее эфиров, найлонов, лавсана, полисульфо-:амида. У мембран из фторопласта-42 на подложке #э полипропилена ри действии химических агентов, вероятно, происходит переориента-;ия полимеров и возрастание их кристалличности, а следовательно, увеличение прочностных характеристик.

Стерилизация излучением и У5-светом приводит к сильному хрупчиванию мембран. Этот эффект особенно ярко выражен при

- облучении. После негр снижается деформируемость практически сех мембран, за исключением НА V/р. Снижение может достигать Ш (у УОФК) (рис.На). Прочность же у одних мембран при этом величивается, у других - уменьшается (в 1,1-2,5 раза) в зависи-эсти от того, какие процессы преобладают: деструкция и аморфизация

1-1

б

2-1

10 20 30

2 4 6 8 10

Рис.П. Влияние радиационной стерилизации на диаграммы растяжения мембран: а - УФФК, б - ЯМФ; I - мембраны до стерилизации, 2 - после УФ-облучения, 3 - после У- облучения

или сшивание и кристаллизация.

Облучение УФ-светом мембран из фторопласта изменяет крив; их растяжения незначительно. В то же время влияние ультрафиоле на мембраны из целлюлозы, капрона и особенно на лавсановые .яд« ные фильтры весьма существенно и сходно с влиянием ^ - кзпу-ния, хотя изменения механических характеристик у большинства из них несколько меньше. Прочность мембран может изменяться н; 60%, а уменьшение их деформируемости может быть даже больше, * при облучении. Например, у мембран М2Ц и ЯШ в направлен! перпендикулярном к оси ориентации макромолекул, она снижается более чем в 8 раз (рис.116). Последний факт говорит о том, чт< по сравнению с у - облучением при стерилизации ультрафиолете процессы сшивания полимера преобладают над его деструкцией.

Практические рекомендации по применению и методам стерилизации различных типов мембран,используемых при производстве лекарственных веществ

Выбор той или иной мембраны и способа ее стерилизации опт деляется конечными целями фильтрации, объемом фильтрующего у.г. ла и условиями баромембранного процесса, а особенности обраще! с ней при ее подготовке к фильтрации - природой полимера, из

торого она изготовлена, и ее структурой.

Наиболее мягким способом стерилизации для ясех чбран является их облучение ультрафиолетовым свгтом с помсуьа ондартной бактерицидной лампы.

Паровую стерилизацию нежелательно применять для мембран ил 1люлозы и ее эфиров, для капроновых микрофильтрлв, а так^е для. сомпозитных и гидрофобных мембран из фтсроплоста-42. Еч и^.пояь-шние допустимо для армированных гидрофильных мембран Mï-iïî, '¡К, "Ультипор" "е 6ô:iao, Ж!, я также для ЯМЗ.

Таким образом, полимерные мембраны представляют собой неряв-есные системы, весьма чувствительные к воздействии фильтруем!« д, стерилизации и фактора;/, окружающей среды. Это сбстоятельст-привсдит к необходимости контроля за их состоянием и измснч-ч их фильтрационных показателей непосредственно ппг«д кспользосэ-ч и по окончании фильтрации, особенно стерилизующей.

Обязательность такого контроля усиливается ецо и весьма не-зхой прочностью мембран и их способностью к значительным дя-»ациям даже при очень небольших нагрузках.

Очевидно, что полимеры с углеродным скелетом принципиально ¡пригодны для наиболее применяемых а настоящее время зидсо |илиэаци!1 ив вероятно, имеет смысл продолжить поиски новых трующих материалов на основе пористых неорганических или олз-оорганических высокомолекулярных соединений, более стйзйлыпй ловиях стерилизации.

ВЫВОДЫ

1. Впервые получены полные диаграммы растяжения полимчркых за»: сухих, смоченных фильтруемыми э процесса производства минских препаратов яздкостям^ a ?a;cr.î после термической, хя-:кой и радиационной стерилизаций. Обнаружена значительная (Троппл механнчаскиз: свойств цеийран»

2. ПокозазИр чго фильтруемые гидкости, здсорбируясь или ей-руясь на Еысокорзэйитой поверхности кембре», с. дестс^ш-ю

? на их фжгьтрэцконныэ п дзфор*ационно-прочностиыэ харяято-гл. Нзмгнения послед??г~ могу? достигать 65СЙ.

3. Еаязлено» что обращает деформация кёмброи из прегквея? и резвипаагся у гакрспсрйстых пяаиоа при кдпргаоикях есзго

л 1аь 20-400 сН/ыы2, а у композитных - 300-900 сН/ым2. Мембраны при смачивании их фильтруемыми водными растворами переходя: в вяэкотекучее состояние. Разрывное удлинение мембран может coi тавлять десятки и даже сотни процентов.

4, Изучена дефектность структуры мембран и впервые провед< морс{ометрический анализ последней до и после термической, химической и радиационной обработок, на основе которого прогнозиро1 ни последствия стерилизации для эксплуатационных характеристик кикрофильтсов.

Ь. Продемонстрировано, что сухожаровая стерилизация совершенно неприемлема для полимерных мембран, так как характеристические температуры их материалов лежат ниже температур термооб] богки. Исключение составляют мембраны из фторопласта-4.

6. Показано, что автоклввирование является достаточно жесч ким способом стерилизации для всех исследованных полимерных ме» ран, существенно изменяющим все их структурные и эксплуатационные характеристики, особенно при их стерилизации в фильтродержг теле, что обусловлено релаксацией макромолекул полимера выше температур его стеклования.

7. Показано, что стерилизация мембран 2%-ным раствором фо] мальдегида и особенно 6%-ным раствором перекиси водорода приводит к окислительной деструкции большинства га них, выраженной

в их сильном охрупчивании и изменении структурных, газодиффузис ных и ряда фильтрационных характеристик. Вместе с тем тонкость фильтрования мембран меняется незначительно.

8. Показано, что Jf- облучение в результате радкояиза npi водит к сильной деструкции или сшивке всех полимерных мембран i как следствие, к потере ими эластичности и прочности, измеиеню структурных и газодиффузионных параметров, гидрофильности, npoi водительности.

9. Рекомендован метод стерилизации полимерных мембран с ш мощью, стандартных бактерицидных ламп Уб-света (До 1,4 б/ма), практически не влияющей на их фильтрационные свойства. В то ко время УФ-облучение вызывает сильное охрупчивание всех мембран, кроме USSK и УКК.

. Ю.Даны практические рекомендации по применению и методам стерилизации различных типов мембран, позволяющую улучшить качество медицинских препаратов, в том числе парентеральных, за счет повышения надежности стадии фильтрации.

Основные результаты диссертации опубликованы п следуют« poix:

1. Бочкова Г.Б., йиин Л.С. Дефекты структуры и механические !ства полимерных микрофильтраиионных мембран //йилунология и ■ехнология. - Горьки!!, I9C9. - С.£-1-09.

2. Бочкова Г.Б., йиин A.C. Прочностнке и деформационные ства микрофильтрационных мембран "Влядипор" типа М5А-МА и ЭМ при смачивании некоторой жидкими средами и посля паровой илизации //Регуляция биологических систем. - ГорькиЛ, 1990. --79.

3. Бочкова Г.Б., Наин A.C. Дефор.;ационно-прочностнио харлгс-стики полиядерных микрофильтров на основе лавсана //Пласт.

а. - I9CI. - » I. - С. 18-20.

4. Бочкова Г.Б., Снегирева Ii.С., КЬин A.C. Прочнсстнно и рмационные характеристики мембран на основе нитрата целлюло-зи воздействии некоторых жидких сред и паровой стерилизация i.-фарм. журнал. - 1991. - ,7 4. - С.68-70.

5. Бочкова Г.Б., йиин A.C. Влияние некоторых жидкостей и пп-t стерилизации на прочностные свойства полиамидных мембран i.-фарм. курная. - 1991. - » 5. - С.71-81.

6. Бочкова Г.Б., Dr ч A.C. Влияние паровой стерилизации на ¡уатационные характеристики полимерных мембран /Дез. докл. изной конференции "Мембранные процессы о биотехнологии, мее и пищевой промышленности" (Москг", 12-14 февраля 1991 г.).

1991. - С.79-81.

7. Бочкова Г.Б., Шин A.C. Влияние жидких сред но деформа-о-прочностные характеристики полимерных мембран /Дез. докл. DSHOft конференции "Мембранные процессы в биотехнологии, мез и пияевой промышленности" (Москва, 12-14 февраля 1991 г.).

1991. - С.82-85.

9. Бочкова Г.Б., Ввин A.C., Белоножкино H.H. О воздействии геской стерилизации на эксплуатационные характеристики полис микро- и ульграфильтрационных мембран //Еиотехно—!Гил я 1ка. - Н.Новгород, 1991. - С.103-124.

). Бочкова Г.Б., Шин A.C., Ладдаева Л.В. Рабочие характерис-гльтрафнльтрационных мембран "Владипор" Tima УПМ при воздей-каких препаратами крови и стерилизации //Биотехнология и ■да. - Н.Новгород, 1991. - C.97-I07.

10, Бочкова Г.Б. t Шик A.C. Изучение влияния паровой и уя рафиолетовой стерилизаций на мембраны "Владипор® /Дез. докл. Всесоюзной конференции по мембранный методам раздзления смесей (Суздаль, 23-27 декабря 1991 г.). - Ii., X99I. -- С.25.