JP2006524122A

JP2006524122A - ろ過モジュール

Info

Publication number: JP2006524122A
Application number: JP2006501242A
Authority: JP
Inventors: チゾムマーク; バートレットアンドルー; ガグネジョージ; ジャクソンロバート
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2006-10-26
Also published as: WO2004103534A1; US20040226875A1; EP1622702A1; CN1787872A

Abstract

フィルタ構造の外部体積の単位立方当たり少なくとも３００平方メートルの作動ろ過膜面積の充填密度を有する濾過モジュールが提供される。ろ過膜材料は材料の１ｍ²当たりの抽出汚染物が２５０ｍｇよりも少ないものである。濾過モジュールは、膜層２６の各表面に封着されたろ液側スクリーン１５と液側スクリーン１５の周部に設けた封着性の熱可塑性重合体部材１８よりなる複合膜層４０を有する。

Description

本発明は供給液が装置に導入されろ液流（場合によりろ過残液流も）が装置から排出されるように構成された、液体組成物のろ過を行うための膜ろ過装置に関する。より詳しくは本発明は組み立てられ、そして熱可塑性重合体組成物部材によりろ液側スペーサ層へ膜ろ過層を選択的に熱封着することにより得られる接線流れ膜ろ過装置またはデッドエンド膜ろ過装置に関する。

従来、液体は２つのマニフォルドの間に積層された、又は個々にマニフォルド板に封着された複数のフィルタモジュールの内部でろ過されている。各モジュールはスクリーン（網板）のような適当数のスペーサ層により分離されている一枚以上のフィルタ層を含むことにより、装置への供給流れと装置からのろ液流れを可能にしている。

モジュール内でのろ過は、流入する供給液体がろ過膜表面に沿って接線方向に流れてろ過残液とろ液を形成する接線流れろ過（ＴＦＦ）として実施できる。別法として、ろ過は、流入する供給液体の全てがろ過膜を通され、固形分残渣及び他の夾雑物がろ過膜の表面に残留する正規流ろ過（ＮＦＦ）とも呼ばれるデッドエンド様式で行われることもできる。後者の場合にはろ液のみが回収される。

現在、ろ液流を膜ろ過装置内で供給流から隔離するには、エポキシ、ウレタン、シリコーン等のポッティング接着剤を用いる封着技術により、ろ液側スペーサ層を２枚の多孔質膜層に封着することが行われている。接線流れろ過装置の場合には、ろ液流は供給流及びろ過残液流から隔離される。接着剤の使用は、接着剤の化学的相容性に限界があり、有意な抽出（溶出）物源となり、また接着剤の体積が装置内の相当な面積又は体積部分を占めるのでフィルタ装置の全体積の利用性を制限し、プロセス制御を困難にし、強度に限界を課し、使用温度を制限し、また処理のサイクル時間を増すので望ましくない。そこで、熱可塑性重合体シール組成物を使用して膜層を隣接したスペーサ層に接着することが行われている。しかし熱可塑性重合体シール組成物の膜層への侵入は膜の細孔が小さいため制限されるので、シール組成物と膜の間の封着強度が小さくなる。その上、シール組成物の侵入が制限されるため、膜層の厚さが望ましくない程度に増大して隣接しているスペーサ層の体積を増大し、その結果、ろ過モジュール製品の単位体積当たりの膜ろ過面積とろ過容積が減少する。

さらに、ろ過される供給流体の一部を吸収或いは吸着するポリシロキサンやポリウレタンをベースにした材料等の使用は、吸収された材料が溶出してろ過された物質中に混入しそれらを汚染するので望ましくない。

米国特許第５４２９７４２号は複数のフィルタ膜を保持する熱可塑性枠体を含むフィルタカートリッジを開示している。熱可塑性枠体は、流入するろ過すべき流体が膜を透過した後にフィルタカートリッジからろ過された流体として流出することを保証する流路を有するように成形されている。枠体は膜への流入、流出のための流路が形成されるように充分な厚みを有する。隣接した膜同士は比較的厚いスペーサにより分離されるので、フィルタカートリッジの単位体積当たりの膜面積は小さくなり望ましくない。

従って、接着剤又は溶剤接着を使用することなく複数の層を適切に封着した複数のろ過要素を利用した多層ろ過装置を提供することが望まれる。さらに、ろ過装置の外部体積当たりに多数のろ過層を有し、それらが積み重ねでき、またろ過装置の外部体積当たり少なくとも３００ｍ²の動作膜充填密度を有する、接線流れ又はデッドエンドろ過装置を提供することが望まれる。加えるに、装置の単位体積当たりに多数のろ過層を含むろ過装置であって、積層体に形成でき且つ積層体内で液体流路を隔離して適宜封着することができるろ過装置を提供することが望ましい。さらに、ろ過される材料の吸収（及び吸着）とそれに続く脱着を無くし又は極小にする材料から製作したろ過装置を提供することが望まれる。このようなろ過装置は高いろ過容量を提供し、ろ液の汚染を極小又は無くしながら、装置の多種の使用を可能にする。

本発明は、（活性膜面積）／（ろ過装置の外部体積）が少なくとも３００ｍ²／ｍ³である充填密度を有する熱可塑性樹脂製ろ過装置を提供することにより従来の問題を解決する。

さらに、本発明の装置はろ過の前後で抽出可能な物質が実質的に存在しない重合体組成物から形成される。ここで使用する用語「実質的に抽出可能な」は、一種以上の酸を含む試験溶液に浸し、次いで脱イオン水中に置いて吸着又は吸収した酸を滲出させたときに、材料の１ｍ²当たりに抽出される汚染物質が２５０ｍｇ未満であることを意味する。

ろ過装置はその垂直高さ方向に交互に配置され、そして以下に詳しく説明する方法で封着された膜とスペーサの積層体より形成される。

さらに本発明は、膜の熱的及び機械的な劣化を防止しながら、スペーサ層の多孔質膜への封着を促進する方法で、熱可塑性重合体組成物部材で封着されたろ過要素を構成し、これらのろ過要素からろ過装置を形成する。多孔質重合体膜の選択的な封着は、少なくとも１つのろ液側スペーサ及び場合により供給側スペーサの周部が封着される２段階工程で実施される。熱可塑性組成物部材は第１工程で付着、浸透、押出、又は挿入成形によるなどしてスペーサ層に施され、そしてこの熱可塑性組成物部材は膜層に固着できる。熱可塑性組成物部材の形状は以下に説明するようにしてスペーサ内の流体流れを制御する。第２工程では、ろ液側スペーサの周辺に配置された熱可塑性組成物部材が、支持された又は支持されない膜と共に各対向する表面に封着され、２つの膜層と１つのろ液スクリーン層とのサンドイッチ構造を形成する。

場合により、ろ液側スペーサ層の一方の表面のみが、ろ液と供給液又はそれと残液との混合を防ぐための圧縮性エラストマー重合体などによるシールにより膜層と封着される。供給液側スクリーン層（スペーサ層）とろ液側スクリーン層（スペーサ層）の内部に形成される流体流路は、供給流体が膜層でろ過されてろ液を形成した後にろ過装置から排出されることを確実にする。交互に配置される膜層とスペーサ層の所望の積層体ができるまで、一枚の膜層と一枚のスペーサ層の一組による封着を順次行って積層する。

本発明により、複数の相互に離間した膜と、液体な流れを促進する複数の通路又は開口を有する複数のスペーサ層とを備えたデッドエンドろ過装置（ＮＦＦ）又は接線流れろ過装置（ＴＦＦ）が提供される。デッドエンドろ過装置は少なくとも１つの供給物入口と少なくとも１つのろ液口を有する。接線流れろ過装置は少なくとも１つの供給物入口と少なくとも１つのろ液口と少なくとも１つの残液口を有する。膜層及びスペーサ層はろ過装置の垂直高さ方向に交互に所定のパターンで積層される。

膜層とスペーサ層の選択的な封着は２段解法で実施される。第１工程では熱可塑性重合体組成物部材の薄層がろ液側スペーサの各表面、及び場合によりさらに各供給側スペーサ層の表面、の周部へ成形される。次いで熱可塑性組成物部材は熱又は超音波等のエネルギーに露出されて流動化され、膜層に接合される。供給側スペーサ層が熱可塑性組成物で成形されない場合には、供給側スペーサは装置が使用状態のとき圧縮されて流体シールを形成できる圧縮性重合体組成物で成形される。熱可塑性組成物部材はモジュールを通して所望の流体流れパターンを形成するように成形される。このように処理されたスペーサ層及び膜層は次いで供給口、ろ液口、接線流れモジュールの場合には残液口を形成するようにして積層される。

熱可塑性組成物部材を封着してモジュールを形成する最後の段階は、モジュール内で供給流と残液流をろ液から隔離するように流路を形成するように選択的に封着することで実施される。接線流れろ過装置では積層体内の液体流は供給液入口と残液出口をろ液出口から隔離して封着することにより形成される。

ろ過装置の外側部分は次に熱可塑性又は熱硬化性重合体構造によるインサート成形又はポッティングにより形成される。インサート成形は、積層体を射出成形金型に挿入し、溶融樹脂を、使用時の膜ろ過装置内に所望の流路を形成するようにして金型に注入することにより行われる。この積層体は２枚の膜層に１枚のろ液側スペーサ層を接合した複合層と供給側スペーサ層とを交互に積層したものである。複合層と供給側スペーサ層との交互積層数は選択による。供給液を受けるように設計された供給口に近接した供給側スペーサ層は供給路と連通している。残液又はろ液を受け取る通路は積層体内部に延びている。残液を受け取る通路はろ液側スペーサ層から隔離されているが、供給口には連通している。これらの通路は膜を通して延長し得る。ろ液受容口は供給液又は残液を受け取るスペーサ層から封止により離隔されているが、ろ液を受け取るスペーサ層とは連通している。積層体はまた供給スペーサ層に流入する供給液が膜層を通過してからろ液側スペーサ層に入るように封着されている。

本発明は、供給液または残液からろ液を分離できる積層構造を有する、選択的に封着できるろ過膜要素を利用する。ろ過膜要素は周部で熱可塑性組成物部材に結合されたスペーサ層を有する。熱可塑性組成物部材に吸収される溶融熱、振動熱、放射熱等の熱エネルギー、又は熱エネルギーに変換される超音波等の非熱エネルギーに曝されると、熱可塑性重合体組成物はスペーサ層を構成する本体に先立って優先的に溶融する。これにより封着すべきろ過装置の選択的な領域の制御が可能になる。

複数のろ過膜及びスペーサ層要素は順次に互いに封着でき、或いはろ過膜要素とスペーサ層の積層体の形で配置されている状態で、一工程で（一挙に）所望の形態に相互封着できる。

本発明のろ過モジュールを形成するのに有用なろ過膜要素は、熱可塑性組成物部材をスペーサ層の縁部又は周部に封着してスペーサ層の一端を変性することにより形成できる。膜層とスペーサ層の交互積層体中で、交互に配置されたスペーサ層同士が接合されるように、熱可塑性組成物部材の表面と隣接した熱可塑性組成物部材の表面は互いに封着される。封着は各供給側スペーサがその両面に、流入する供給物と連通する孔と、流入する供給物から隔離されたろ液孔を有するように行われる。一方、ろ液側スペーサ層は流入する供給物から隔離された孔とろ液と連通する孔とを有する。これにより、動作時にろ液と供給液又は残液との混合が防止され、流入する供給物は膜を透過して初めてろ液側スペーサ層を通過する。

図１には供給側スペーサ層１０が例示されている。供給側スペーサ層１０は内部のスクリーン１１、スクリーン１１と連通状態にある複数の供給孔１２、及びスクリーン１１と連通していない複数のろ液孔１４を備えている。スクリーン１１の周部は熱封着性の熱可塑性重合体組成物部材１３によるか、又はスクリーン１１の周部に対してシールを形成できる圧縮性重合体組成部材１３によりシールされている。図２に示したように重合体組成物部材１３はスクリーン１１よりも若干厚く形成されていることが重要である。重合体組成物部材１３は、１つ又は２つの膜に接合した後の厚さが、スクリーン１１の厚さと同じ厚さからそれよりも約２５％、好ましくは約１０％だけ厚い厚さを有することが必要である。このようにすれば、熱封着または圧縮封着がろ過モジュールの体積を不必要に増大させるような過剰の重合体組成物を要しないで実施できる。封着前の重合体組成物部材１３の厚さはスクリーン１１の厚さと同等の厚さから約３０％までの厚さを有し得る。

図３〜４にはろ液側スクリーン層１６が例示されている。供給孔１２はろ液側スクリーン層１６の周部に延びている重合体組成物部材１８によりスクリーン１５から隔離されている。重合体組成物部材１８の厚さはスクリーン層１６よりも若干厚い。重合体組成物部材１８は、部材１３に関して説明した同じ理由で、１つ又は２つの膜に接合した後の厚さが、スクリーン層１６の厚さに近い厚さから約２５％、好ましくは約１０％までの厚さを有することが必要である。封着前の重合体組成物部材１８の厚さはスクリーンの厚さと同等の厚さから約３０％までの厚さを有し得る。

図５には本発明の複合層２０が示されている。複合層２０は供給孔１２を有する熱可塑性組成物部材１８とスクリーン１５を有する。ろ液孔１４（図２）はスクリーン１５と連通している。熱可塑性組成物部材１８は膜層２２と２２ａに封着されている。各膜層２２、２２ａは、多孔質支持層２４（例えばポリプロピレン布等の不織布又は織布）と、限外濾過層２６（例えばポリエチレンスルフォン）の複合材又はセルロース層とポリエチレン層の複合材とから構成される。スクリーン１５はろ液孔１４と連通し且つ供給孔１２からは隔離して封着されるので、ろ液と供給液は混合しない。

図６には複合層２８が示されている。複合層２８は供給孔１２に連通した２つの供給側スクリーン１１と、熱可塑性組成物部材１８により供給孔１２から隔離して封着された２つの膜層２２、２２ａと、熱可塑性組成物部材１８により供給孔１２から隔離して封着されたろ液スクリーン１５から構成されている。従って、複合層２８は、供給物を供給孔１２からスクリーン１１を通して受け取り、膜層２２，２２ａを透過したろ液はスクリーン１５内を流通し、ろ液孔１４（図３）を経て複合層２８から流出する。複合層２８と他の複合層（図示せず）は射出成形等によりその周部に熱可塑性を注入することにより熱可塑性組成物で封着される。

図７にはろ過モジュールが例示されている。ろ過要素（複合層）２８はマニフォルド３２と３４の間に配置される。マニフォルド３２は供給物入口３５とろ液出口３６を有する。マニフォルド３４はろ液出口３８と残液出口４０を有する。一組のろ液出口手段４２がマニフォルド３４内に設けられ、一方第２組のろ液出口手段４４がマニフォルド３２に設けてある。ろ液出口手段４２、４４はろ液管路４６によりろ液出口３６、３８に接続されている。ろ過要素（複合膜）２８は供給物入口３５に連通する孔４８と、ろ液出口手段４２、４４に連通する孔５０を有する。

図８を参照すると、ろ過要素５２は、ろ液側スペーサ５４、膜層２２、供給側スペーサ５６、及びろ液管路４６（図７）に接続できる第２のろ液側スペーサ（図示せず）を有する。矢印５８で表される液体供給物は膜層２２ａの孔４８を経て供給側スペーサ５６に流入する。その液体の一部は矢印５８’で示したように水平に流れ、次いで矢印６０のように膜層５６を透過する。流入する液体５８の残りの部分は矢印６２で示したように上方に流れ、ろ過膜層２２の孔４８とろ液側スペーサ５４の孔４８を流れて次の隣接したろ過要素（図示せず）に流入し、ろ過要素５２に関して説明したものと同様な態様で動作する。ろ液は孔５０に入り、矢印７０、７２の方向に進み、矢印７０の方向に流れた液体はろ液出口手段３８（図７）へ向かう。孔４８は孔５０と交互に形成されている。残液は矢印６４で示したように供給側スペーサ５６を流れて残液出口手段４０（図７）に向かう。

図９を参照するに、ろ過装置８０は供給液入口８２、８４、残液出口８６、８８、及びろ液出口９０、９２を有する。ろ過装置８０は射出成形等で形成された外殻９４と、供給物側スクリーン９６と、ろ液側スクリーン９８と、膜層１００を有する。

上記から、本発明の構成部材の構造とそれらを封着する方法は、構成部材として従来可能であったよりも薄い材料の使用を可能にする。また部材間に最小厚さを課する成形隔離板の必要を無くすことができる。この結果、ろ過モジュールの与えられた体積中に存在できる層の数を増加してモジュールの望ましいろ過容量の増大を期すことができる。本発明は、従来可能でなかった、フィルタ構造の外部体積の単位体積当たりの動作膜ろ過面積が少なくとも３００平方メートルの充填密度を提供することができる。

本発明はまた未反応成分の存在による清浄度に問題を生じる可能性のある２成分接着剤を使用しない。加えるに、膜−スクリーン組立体を形成するのに多数の工程を必要としないので、構成部材とそれらを組み立てる方法が望ましいものとなる。

また本発明は、部分組立体の数と組立の工程数が多い場合に生じる膜の損傷の可能性を従来法に比較して減じることを可能にする。

さらに、本発明の製品は従来の装置に比較して抽出性成分のレベルを大きく減少することができる。本発明のモジュール構造中に使用される材料並びに従来のモジュール構造中に使用される材料の試験を行ってこれらの装置のための典型的なクリーニング溶液による抽出物のレベルを評価した。

試験は材料が他の材料を取り込み或いは吸収し次いで放出する能力を決定するために行った。これは使用時に或る製品バッチからの汚染を次の製品バッチに持ち込む結果となりうる。この現象は当業界では一般に抽出性又は溶出性と呼ばれている。

同一の表面積を有するサンプルを試験すべき各材料から製作した。熱可塑性及び熱硬化製材料に対し、直径１．１２５インチ（２．８５７５ｃｍ）、厚さ０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の円板を成形で作り、表面積を０．００１８５ｍ²にした。膜、不織布、及びスクリーンのような厚さが０．０２５インチ（０．０６３５ｃｍ）以下の材料に対しては、サンプルを直径４７ｍｍの円板に切り出して表面積を０．１００３５ｍ²にした。

各サンプルを別々に７５ｍｌの酢酸・リン酸試験溶液に２４時間浸した。この実験で使用された酸溶液は１．８％の酢酸と１．１％のリン酸であった。

浸漬後にサンプルをろ過した脱イオン水で簡単にすすいでサンプルの表面から残留溶液を除去した。各試料を別々に５０ｍｌのろ過した脱イオン水に浸漬することで抽出を行った。水試料を６及び２４時間後に取り出し、イオンクロマトグラフで酢酸イオンとリン酸イオンの量を分析した。各イオン量をｍｇ／ｍ²で基準化した。上記の浸漬時間後に存在した酢酸イオン及びリン酸イオンの量は構成材料から水へ放出した酸の量を示す。これは材料が使用中に放出することができる汚染量に相当している。適当な材料は上記の試験法で試験した場合に材料の１ｍ²当たりの抽出汚染物が２５０ｍｇよりも少ないものである。これらの材料から製作されるより好ましい材料と装置は１ｍ²当たりの抽出汚染物が２００ｍｇよりも少ないものである。

発泡剤を使用した又は使用しないポリプロピレン、及びポリプロピレン熱可塑性エラストマーを使用すると、許容できる低い抽出レベルを与えた。

シール部を形成するように圧縮でき且つ抽出性物質を有しない適当な弾性材料には米国オハイオ州Ａｋｒｏｎ所在のAdvanced Elastomer Systems, L. P.から市販されている SANTOPRENE（商品名）ポリマー、好ましくは８０００シリーズ；好ましくは４１５５番；米国マサチューセッツ州Leominster所在の DSM Thermoplastic Elastomers, Inc. から市販されているポリプロピレン熱可塑性エラストマーであるSARLINK（商品名）重合体；及びポリプロピレンと発泡剤（典型的には０．５−約２．０％含有）の混合物がある。

熱封着に適当な熱可塑性重合体組成物の限定ではない例にはオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ＰＶＤＦ、ＰＦＡ又は熱可塑性エラストマーがある。

本発明の供給側スペーサ層の平面図である。図１の線２−２から見たスペーサ層の断面図である。本発明のろ液側スペーサ層の平面図である。図３の線４−４から見たスペーサ層の断面図である。２枚の膜層と１枚のスペーサ層から成る本発明の複合層の断面図である。図５の複合層と本発明の２枚の供給側スペーサ層の断面図である。本発明の接線流れろ過モジュールの流路を示す図である。本発明の接線流れろ過装置の流路を示す図である。本発明のろ過装置の一部を断面で示した斜視図である。各種の重合体組成物の相対抽出量を示すグラフである。

符号の説明

１０供給側スペーサ層
１１内部のスクリーン
１２スクリーン１１と連通状態にある複数の供給孔
１３熱可塑性又は圧縮性重合体組成物部材
１４スクリーン１１と連通していない複数のろ液孔
１５内部のスクリーン
１６ろ液側スクリーン層
１８重合体組成物部材
２０複合層
２２、２２ａ膜層
２４多孔質支持層
２６限外濾過層
２８複合層
３２、３３マニフォルド
３５供給物入口
３６、３８ろ液出口
４０残液出口
４２、４４ろ液出口手段
４６ろ液管路
４８、５０孔
５２ろ過要素
５４ろ液側スペーサ
５６供給側スペーサ
５８液体供給物

Claims

供給液入口と、少なくとも１つのろ液出口と、ろ過残液出口とを有するろ過モジュールを製造する方法であって、複数の流体透過性スペーサ層と該スペーサ層に対して垂直方向に交互に重畳する複数のろ過膜層との積層体を形成し、前記スペーサ層に前記スペーサ層一枚の厚さの１００〜１２５％の範囲の厚さを有する熱可塑性部材を固定することよりなり、該熱可塑性部材の溶融による前記供給液入口、前記少なくとも１つのろ過液出口及び前記ろ過残液出口における前記交互配置されたスペーサ層の封着を、前記少なくとも１つのろ液口内の液体と前記供給口及び前記ろ過残液口内の液体とが混合しないように行うことよりなる、ろ過モジュールを製造する方法。
前記熱可塑性部材の前記厚さは前記スペーサ層一枚の厚さの１１０％〜１２０％である請求項１の方法。
各々が供給液入口とろ液出口と、場合によりろ液側スクリーン層と、供給液側スクリーンと、２つの膜層とを有する複数のろ過要素よりなり、前記ろ過要素は流体入口と、ろ液出口と、場合によりさらにろ過残液出口とを、ろ液が供給液又はそれとさらにろ過残液と混合しないように隔離され、かつ供給液が前記膜層を通過した後に前記ろ液側スクリーンに流入するように構成されており、前記各ろ液側スクリーンの周部及び場合によりそれと各供給側スクリーンの周部に、前記ろ液側スクリーン又は供給側スクリーンの厚さの１００％〜１２５％の厚さを有する封着性の熱可塑性重合体部材が設けられているろ過モジュール。
前記の各供給側スクリーンはその周部に、前記供給側スクリーンの厚さの１００％〜１２５％の厚さを有する圧縮性の重合体部材が設けられている請求項３のろ過モジュール。