JP2008199994A - 培養液濾過用平膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】 培養液ろ過によるおいて、膜の破断の原因となる膜自身の揺らぎ、逆洗による膜の膨らみを抑制し、大型化においてもその効果が十分に発揮され、かつエレメント部品の回収再利用が容易な、培養液濾過用平膜エレメントを提供すること。
【解決手段】平膜エレメント膜の原液側に補強材を配し、培養液ろ過における運転中の膜の揺らぎ、および逆洗時の膜の膨らみを押さえ、長期間膜の破断なく使用できる。
【選択図】図２

Description

培養液濾過用平膜エレメントに関する。

微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産方法である発酵法は、大きく（１）回分発酵法（Ｂａｔｃｈ発酵法）および流加発酵法（Ｆｅｄ−Ｂａｔｃh発酵法）と（２）連続発酵法に分類することができる。（１）の回分および流加発酵法は、設備的には簡素であり、短時間で培養が終了し、雑菌汚染による被害が少ないというメリットがある。しかし、時間経過とともに培養液中の生産物濃度が高くなり、浸透圧あるいは生産物阻害等の影響により生産性及び収率が低下してくる。このため、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持するのが困難である。一方、（２）の連続発酵法は、発酵槽内で目的物質が高濃度に蓄積するのを回避することによって、長時間にわたって高収率かつ高生産性を維持できるという特徴がある。

このことから、連続発酵法において、微生物や培養細胞を含む培養液を分離膜で濾過し、濾液から生産物を回収すると同時に濾過された微生物や培養細胞を培養液に保持または還流させることで、培養液中の微生物や細胞濃度を高く維持する方法が提案されている。

また、回分発酵法および流加発酵法によって得られる培養液から、微生物や培養細胞を分離するためにも、分離膜が用いられている。回分発酵法および流加発酵法では、連続発酵法のような長時間の培養を行わず、分離膜による培養液ろ過は間欠的に実施される。

培養液ろ過に用いる膜エレメントには、これまで活性汚泥からの水の濾過分離（活性汚泥法）に用いられていた平膜エレメントを使用することができる。培養液ろ過と同様に、活性汚泥法も微生物を膜分離するものであり、いずれの場合も膜面に微生物が付着して膜が目詰まりしないよう、空気や窒素、酸素などの気体を培養槽や活性汚泥漕の下部から噴出させるのが一般的である。これを曝気と言う。曝気は微生物が要求する酸素などの供給や、活性汚泥や培養液そのものを混合させる役割も担っている。

このとき、膜エレメントの周囲には、曝気によって上昇流が生じる。その結果、上昇流によって膜が揺らいで、エレメント上部の封止部に膜の膨らみに対する応力が集中し、膜の破断が問題となっている。また、膜が目詰まりした際、目詰まり物質を除去するために逆洗を行う。逆洗とは、エレメントの透過液側から、洗浄のために透過液や薬液を透過させる操作であり、実施によって外方向に膜が膨らもうとするため、エレメント周囲の封止部に応力がかかり膜の破断が懸念される。さらに、膜が外方向に膨らんだ結果、逆洗操作後に運転を再開すると、曝気による上昇流の影響を受けやすくなる。

曝気や逆洗による膜の破断は、間欠的に短時間の膜分離を行う回分発酵法および流加発酵法では起こりにくいが、連続発酵法において、特に大型のエレメントで起こりやすく、スケールアップにおける重要な課題の１つとなっている。そこで、曝気や逆洗によって起こる膜の破断に対する対処方法として、活性汚泥法に関していくつかの方法が検討され、開示されている。

例えば、特許文献１には、活性汚泥法による汚水処理において、膜の中央部をスポット固定し、膜の煽(あお)りにより生じる力を分散させたエレメントが開示されている。しかしながら、中央部のみの固定では、装置の大型化に伴い膜面積が増大した際にはその効果が十分でなくなる恐れがある。

特許文献２には、活性汚泥法による汚水処理において、エレメント内の膜と流路材とを所定の間隔で接着する方法が開示されている。しかしながら、大型化に伴って膜面積が増大したエレメントにおいても十分な効果を発揮させるには、接着点の数を増やす、もしくは接着点の面積を増大させることが必要であり、結果的に有効膜面積の低下、透過水側流路の減少につながり、本来の目的であるろ過効率の低下、および逆洗時の洗浄効率の低下に繋がる。

特許文献１、特許文献２に記載のエレメントは、いずれも活性汚泥法における改良エレメントとして示されているが、連続発酵法においても同様の効果が期待できる。しかしながら、上述のようにその効果は大型化において十分ではない。

さらに、これらエレメントは接着剤の使用、もしくは超音波溶着、熱融着によって膜の封止、固定部の接着を行っており、膜交換時にエレメント部品を再利用することが容易ではない。活性汚泥法において用いられる場合は、エレメント部品が樹脂製であることが多く、再利用はコストの面から見てさほど重要ではないと考えられるが、連続発酵法においては、滅菌操作に耐え得るエレメント部品を用いる必要があり、エレメント部品の再利用は連続発酵法による化学品の製造コスト低減における重要なポイントとなる。
特開平１１−０７６７６６号公報 特開平０７−０３１８５７号公報

発酵法における生産物の製造コスト削減には、膜の使用量を減らすために、膜自身の揺らぎや膨らみによる膜の破断を防いで膜長寿を延ばすこと、膜の目詰まりしが進行した場合には逆洗により膜を洗浄して再利用すること、さらには膜の交換に際して膜エレメント部品を回収し、再利用することが求められる。

活性汚泥法による下水処理分野において改良したエレメントが開示されており、発酵法における培養液ろ過においても同様の効果が期待できるものの、大型化によってエレメントの膜面積が増大した際には効果が十分に発揮されない。

開示されている方法では、接着や融着によりエレメント部品と膜とが接着されているため、膜の交換の際、エレメント部品の再利用が困難であるという問題があり、エレメント部品の再利用がコスト削減に効果的である連続発酵法においてさらなる改良が求められた。また、連続発酵法においては滅菌条件で使用可能なエレメントであることが求められるが、滅菌方法の主たるものである加熱滅菌において、接着剤や融着による接着部の剥離が懸念される。

そこで本発明の目的は、膜の破断の原因となる膜自身の揺らぎ、逆洗による膜の膨らみを抑制し、大型化においてもその効果が十分に発揮され、かつエレメント部品の回収再利用が容易な、培養液濾過用平膜エレメントを提供することにある。

本発明の平膜エレメントは、膜の原液側に補強材を配することを特徴とし、補強材を有することで、培養液ろ過における運転中の膜の揺らぎ、および逆洗時の膜の膨らみを押さえ、長期間膜の破断なく使用できる。

膜の揺らぎや膨らみを押さえる方法についての検討は、活性汚泥法において行われてきたが、原液中に多くの汚泥粒子を含んだ高粘度の液体である活性汚泥ろ過において、平膜エレメントの原液側は、平滑であるほど汚泥粒子が付着しにくく、膜の目詰まりが起こりにくいとされている。本発明の平膜エレメントは原液側に補強材を有するため、汚泥粒子を含む原液に対して用いると、本発明の効果以上に、汚泥の付着による膜の目詰まりが進行してしまう。そのため、公知の平膜エレメントの原液側に補強材を配することは、これまで常識的に避けられてきた。

本発明の発明者らは、微生物や培養細胞の培養液をろ過する際には、微生物や培養細胞が汚泥粒子のような付着性を持たず、本発明の補強材が効果を発揮することを見出した。

すなわち本発明は、
（１）培養液濾過用平膜エレメントであって、平膜の原液側に平膜の原液側への膨らみを制限する開口部を有する補強材を配することを特徴とする微生物もしくは細胞の純粋培養液濾過用平膜エレメント。
（２）平膜周囲を接着剤で固定した、あるいは外枠による挟み込みで固定した、培養液濾過用平膜エレメントであって、接着部あるいは挟み込み部で補強材を固定する、微生物もしくは細胞の純粋培養液濾過用平膜エレメント。
（３）補強材の開口部が、開口部に収まる円の最大直径が１００ｃｍ以下であり、開口部の開口率が４０％以上である、培養液濾過用平膜エレメント。
からなるものである。

平膜エレメントを用いた膜処理において、撹拌装置による撹拌や散気管からの曝気によって生じる上昇流により、膜エレメントの膜が揺らいだ際に原液側に膨らんだり、点検・保守のための膜エレメントの原液外への引き上げの際、エレメント内の透過水流路に残った透過水の重量が膜にかかって原液側に膜が膨らんだりする。さらにエレメント内側から洗浄のために透過水や薬液を透過させる逆洗によっても同様に外方向に膜が膨らむため、強い圧力での逆洗は膜寿命に影響を与える。このような、運転中に起こる膜の膨らみを総じて、平膜の原液側への膨らみとする。本発明による補強材を培養液濾過用平膜エレメントの原液側に配することで、平膜の原液側への膨らみを防ぐことができ、逆洗や長期間の運転によって膜封止部が破断しにくく長寿命な培養液濾過用平膜エレメントの提供が可能になる。また、本発明による補強材は、平膜エレメントの大型化においてもその効果が十分に発揮され、かつエレメント部品の回収再利用が容易であるため、培養液濾過用平膜エレメントの提供が可能になる。

本発明における平膜エレメントは、培養液濾過用平膜エレメントであって、平膜の原液側に平膜の原液側への膨らみを制限する開口部を有する補強材を配することを特徴とする。

平膜エレメントの構造例を図１、図２に示すが、本発明の平膜エレメントの構造は、これらの図によって限定されない。図１は膜エレメントの縦断面図であり、図２は斜視図である。図１を用いて平膜エレメントを説明する。平膜エレメントは２枚の平膜３の間に透過液流路材２および／または支持板１を有し、平膜３の周縁部を原液側と透過液側すなわち透過液流路材２側を液体が行き来できぬよう封止されている。周縁部の封止方法は、接着剤、熱融着、超音波溶着によって行うこともできるが、接着剤、熱融着、超音波溶着によって行った場合には、エレメント部材のリサイクルが困難であることから、外枠５と支持板１とで平膜３を挟み込む方法が好ましく採用できる。外枠５と支持板１とで平膜３を挟み込む場合、外枠５はエレメントの周縁部を押さえることが可能な形であればよく、平膜３を外枠５と支持板１との間に配して外枠５と支持板１とをネジやクリップで固定することで周縁部を封止する。この時、原液と透過液とが行き来しないよう、弾性のあるシート状の部材（弾性材４）を平膜３と外枠５の間に挟むことが好ましく採用できる。弾性材４としては樹脂製のシートが好ましい。

平膜エレメントについて図１、図２を用いて詳細に説明する。剛性を有する支持板１の両面に、透過液流路材２、平膜３をこの順序で配し構成されている。周縁部の封止を接着剤、熱融着、超音波溶着によって行う場合には、以上の構成で周縁部を封止することで平膜エレメントとなる。周縁部の封止を外枠５と支持板１とで平膜３を挟み込む方法によって行う場合には、さらに外枠５を要する。また、封止を確実に行うために、弾性材４を外枠５と平膜３との間に配することが好ましい。支持板１は、図２に示したように、両面に凹部７を有している。透過液流路材２は、平膜３でろ過された透過液を効率よく支持板１に流すためのものである。支持板１に流れた透過水は、支持板凹部７を通って外部に取り出される。補強材６は、周縁部の封止を接着剤、熱融着、超音波溶着によって行う場合には、平膜３の上に配し、周縁部の封止を外枠５と支持板１とで平膜３を挟み込む方法によって行う場合には、外枠５の上に配する。

平膜エレメントの原液側とは、エレメントに設置された平膜の両側面のうち、ろ過処理前の培養液に接する面を指す。本発明における補強材とは開口部を有し、エレメントの原液側に固定された平膜の膨らみを押さえる効果を有するものである。補強材の固定部分以外の部位は、平膜の原液側への膨らみを制限するものであり、平膜と補強材の間隙に原液が浸透する事ができるため、ろ過における有効膜面積が減少しない。補強材の形およびエレメントの原液側における固定部位は制限されないが、有効膜面積を減少させないために、膜周縁の接着部および外枠に固定されることが好ましい。

補強材の開口部とは、原液側の膜表面が露出した部分のことで、例えば、図３に示したように補強材６が外枠５に対して上下中央部に横方向に配して固定されている場合、補強材６で区切られた上下の区域が開口部８となる。

すなわち本発明の平膜エレメントは、ろ過における有効膜面積を減少させずに、補強材によって膜の膨らみを制限するものである。従って本発明の平膜エレメントとは、補強材の開口部が、開口部に収まる円の最大直径が１００ｃｍ以下、さらに好ましくは５０ｃｍ以下、さらに好ましくは３０ｃｍ以下、かつ、開口部の開口率が３０％以上、好ましくは５０％以上、さらに好ましくは６０％以上になるよう補強材を配したものである。

エレメントの原液側に配置された補強材は、直線、十字形、円形、楕円形、渦巻き型、涙型、星形、四角形、その他あらゆる形状の組み合わせで効果を発揮する。また、パンチングメタル、メッシュ、金網などを用いても良い。補強材の例を図４に示すが、補強材は開口部を有していればどのような形でもよく、図に示された形に制限されない。いくつかの補強材を組み合わせて用いても良い。また、図２に示した平膜エレメントの構造例のように、補強材を外枠上に固定してもよいが、図５に示した平膜エレメントの構造例のように、外枠と一体化した補強材１０も好ましく採用できる。

本発明の平膜エレメントは、培養液濾過用に用いる場合に効果を発揮する。本発明における培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液のことを言い、微生物としては例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌、コリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞、昆虫細胞などを含むものが挙げられる。微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。使用する発酵原料としては、培養する微生物の生育を促し、目的とする発酵生産物である化学品を良好に生産させうるものであればよいが、炭素源、窒素源、無機塩類、及び必要に応じてアミノ酸、ビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する通常の液体培地が良い。炭素源としては、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトース、ラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、更には酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリンなども使用される。窒素源としてはアンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としてはリン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩等を適宜添加することができる。本発明に使用する微生物が生育のために特定の栄養素を必要とする場合にはその栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加する。また、消泡剤も必要に応じて使用する。培養液には上記微生物や細胞が培養液中に生産する物質、アルコール、有機酸、アミノ酸、核酸などを含むことがある。

本発明の平膜エレメントの１つの形態を示す縦断面図である。 本発明の平膜エレメントの１つの形態を示す斜視図である。 本発明における開口部の説明である。 本発明における、補助材の例である。 本発明の平膜エレメントの１つの形態を示す斜視図である。

符号の説明

１：支持板
２：透過液流路材
３：平膜
４：弾性材
５：外枠
６：補強材
７：凹部
８：開口部
９：透過液
１０：外枠と一体化した補強材

Claims (3)

1. 培養液濾過用平膜エレメントであって、平膜の原液側に平膜の原液側への膨らみを制限する開口部を有する補強材を配することを特徴とする培養液濾過用平膜エレメント。
2. 平膜周囲を接着剤で固定した、あるいは外枠による挟み込みで固定した、微生物もしくは細胞の培養液濾過用平膜エレメントであって、接着部あるいは挟み込み部で補強材を固定する、培養液濾過用平膜エレメント。
3. 補強材の開口部が、開口部に収まる円の最大直径が１００ｃｍ以下であり、開口部の開口率が４０％以上である、微生物もしくは細胞の培養液濾過用平膜エレメント。

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