JP2008238167A - カセット式濾過装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の濾過要素を利用する多層濾過装置を提供すること。
【解決手段】濾過膜がそれに接着されるのではなく原液板および濾液板上にガスケットによって配置される濾過装置が提供される。
【選択図】図3

Description

本出願は、2007年3月29日に出願した米国仮特許出願第60/920,660号、および2007年3月26日に出願した米国仮特許出願第60/920,085号の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
本発明は、液体組成物の濾過を行うための使い捨て式膜濾過装置に関するもので、供給液体が装置に導き入れられ、濾液流れおよび場合によってはリテンテート流れが装置から取り出される。詳細には、本発明は、使い捨て式の接線方向流れ膜濾過装置またはデッドエンド膜濾過装置に関し、この膜濾過装置は濾過膜を選択的に封止するフィルタ板に一体に成形されるガスケットを利用することによって形成されかつ選択的に封止される。
本発明の以前には、液体は、マニホールド間に積み重ねられまたはマニホールドプレートに個々に封止される複数のフィルタモジュール内で濾過されてきた。各モジュールは、一体型ガスケットを備える熱可塑性板によって分離される1つまたは複数のフィルタ層を含み、装置の中への液体供給流れ、ならびに装置からの濾液流れを可能にしかつ分配する。モジュール内の濾過は接線方向流れ濾過(TFF)プロセスとして行われることができ、到来する供給液体が膜表面の上に接線方向に流されてリテンテートおよび濾液を形成する。あるいは、濾過は、通常流れの濾過(NFF)で識別される別様のデッドエンドモード(dead end mode)として行われることができ、すべての到来する供給液体は膜フィルタを通過して膜フィルタ上に固体および他の砕片を保持する。この後者のモードでは濾液だけが回収される。
現在、新しい膜製品は現存するデバイスの設計によって拘束される。通常流れの濾過の処理規模に十分な膜の面積を得るために、膜はひだをつけられ、カートリッジに組み立てられる。このことは、新しい膜の組成物を可撓性のある薄い材料に限定し、濾過性能を改善するのに知られている非対称の細孔構造を有する膜を制限する。膜カセットおよび積層ディスクを含む他のフィルタ設計は、封止を生ずるように膜を注封または熱接着することに頼っており、やはり膜組成物を、エポキシ樹脂、ウレタン、またはシリコンなどを熱接着または注封するのに適した材料に限定している。接線方向流れ濾過装置の場合、濾液の流れは供給液体流れおよびリテンテート流れから封止される。接着剤は、これが化学的相溶性を制限し、重要で抽出可能な種の供給源であり、プロセス制御の困難性を持ち込み、接着強度の限界が決められ、使用温度の限界が決められ、プロセスのサイクル時間を増大させるので望ましくない。溶剤接着は、溶剤により環境問題および製造プロセスの変動性が強いられ、一方で潜在的に有用なポリマーが溶媒和特性によって制限されるので望ましくない。加えて、ポリマー熱可塑性封止用組成物を膜層表面に加えることによって膜層の縁を改変することが提案されてきた。この場合、ポリマー熱可塑性封止用組成物は隣接するスペーサ層に膜を封止するように使用される。ポリマー熱可塑性封止用組成物の膜層の中への侵入は膜の小さな細孔によって制限されるので、上記封止用組成物と膜との間の封止強度は比較的小さい。そのうえ、列挙されたこれらのようなプロセスは広範に展開されることが必要であり、膜の各組成物、細孔サイズ、および使用される熱可塑性物質に対して特定的である傾向がある。さらに、熱的に接着することができない、あるいはエポキシ樹脂またはシリコンが接着しないハウジングを形成する熱可塑性材料または熱硬化性材料を有することが望ましい場合がある。また熱可塑性板への熱接着膜も当業界でよく知られているが、膜が熱可塑性フィルタ板と適合することが必要である。現在、膜材料はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリ二フッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエーテルスルホン(PES)、セルロースおよびポリアミド(ナイロン)などの多様な材料から作られており、これは多数のフィルタ製作工程を必要とし、新しい新規な膜材料の使用を妨げている。
シリコンおよび熱可塑性エラストマーのようなガスケットを用いたシーリングは、産業界でよく知られている。しかし、これは通常、単一の組のプラスチック板またはステンレス鋼板内に収容される単一の濾過層に適用される。より大きい濾過面積が特定の分離を行うために必要とされる場合、分離したハウジングが外部的に同時に配管されることになり、これは余分の確認および清浄作業のために煩わしく望ましくない工程であろう。
US5429742にはその中へ複数の濾過膜が成形される熱可塑性フレームを備えるフィルタカートリッジが開示されている。この熱可塑性フレームは流体径路を与えるように成形され、この流体径路によりフィルタカートリッジから濾過された流体を取り出す以前に濾過されるべき到来する流体が膜を通過することが確保される。このフレームは十分に厚く、したがって膜へのおよび膜からの流体径路が形成されることができる。この記載されたフィルタカートリッジはインサート成形されるべき膜を必要とし、これはハウジング構成をオーバーモールドと両立できる材料で、かつフィルタ層を用いて封止部を形成する材料に制限する。
US2004/0226875A1には濾過モジュールが開示されており、供給液体、濾液、および随意にリテンテートのための所望の流路をもたらすシーリングは所望の形状構成のスペーサ層の周囲をヒートシールすることによって行われる。この設計はこのようにして働かされ得るほんの少数の材料にだけ抑えられる。
米国特許第5429742号明細書 米国特許出願公開第2004/0226875A1号明細書
したがって、複数の濾過要素を利用する多層濾過装置を提供することが望ましく、各層が接着剤または溶剤接着を使用することなく適切に封止される。加えて、膜の組成物またはフィルタ板によって制限されないこの種の濾過装置を提供することが望ましい。そのうえ、濾過装置の単位体積当たりに多数の濾過層を含む接線方向流れ濾過装置またはデッドエンド濾過装置を提供することが望ましく、この濾過装置はスタックに形成されることができ、かつスタック内に流体流路を画定するように適切に封止されることができる。加えて、濾過装置の体積当たりに多数の濾過層を含む接線方向流れ濾過装置またはデッドエンド濾過装置を提供することが望ましく、これはスタックに形成されることができ、かつスタック内に流体流路を画定するように適切に封止されることができる。
本発明は、濾過膜を含むガスケットを施したカセット式濾過装置を提供する。膜は、原液板(feed plate)または濾液板に接着されるのではなくガスケットを接合することによってモジュール内で然るべき位置に固定される。濾過装置は濾過モジュールのスタックから形成される。濾過モジュールは、原液板、濾液板、およびこの板の間に配置される濾過膜から形成される。原液板および濾過板には供給液体、濾液、および随意にリテンテートのための所望の流路を画定するガスケットが設けられる。ガスケットは通常流れの濾過(NFF)または接線方向流れの濾過(TFF)を画定するように配置され得る。濾過モジュールは、原液板および濾液板をその間に配置された膜と共に互いにスナップ嵌合することによって形成される。次いで、複数の濾過モジュールがやはりスナップ嵌合により積み重ねられ、濾過装置内に所望の流体流れをもたらす2つのマニホールドの間に取り付けられる。マニホールドはガスケットを然るべき位置に固定する板の間に配置され締め付けられ、流体流れの圧力に抗して封止部を保持する。
図1a、図1b、図2a、および図2bに示される原液板および濾液板は、同一のガスケットの形状およびガスケットを施さない穴の形状を有する。隣接する原液板および濾液板を通る所望の流体流れは、供給液体またはリテンテートのいずれかと濾液の混合を妨げるように、ガスケットを施さない穴を有する表面を配置することによって実現される。
図1aおよび図1bを参照して、原液板1の2つの表面1aおよび表面1bが示される。図1aに示されるように、表面1aは外周ガスケット2を含む。穴3および穴4のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。図1bに示されるように、表面1bは外周ガスケット11および内周ガスケット2b(破線で示される)を含む。穴5および穴6のそれぞれはガスケットを施されておらず開いている。供給液体は穴5を通して表面1aに入る。穴7aおよび穴8のそれぞれにはガスケットが施されている。流体の供給が板1、および濾過膜9を通して通過可能なように穿孔6aが設けられる。穿孔6aはE字形の形状構成に配置されるが、これらの穿孔6aは供給液体が板1を通して流れるような任意の形状構成であり得ることを理解されたい。供給液体は上面1aに入り、穿孔6aを通過し、濾過膜9を通過して濾液として現われる。濾過されていない供給液体はリテンテートとして穴6を通して表面1aを去る。
図2aおよび図2bを参照して、濾液板10の2つの表面10aおよび表面10bが示される。表面10aは外周ガスケット22および内周ガスケット22aを含む。穴15および穴16のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。表面10bは外周ガスケット13を含む。穴17および穴18のそれぞれは流体の流れを受け容れ、一段高くなった穿孔部分によって取り囲まれて穴16および穴15を取り囲むガスケットの支持を行う。これは作動圧力による封止の断絶を防止する。一段高くなった同様な穿孔部分が表面10bに設けられてガスケット22aの支持を行う。穴19および穴20のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。穿孔17aが板10を通して設けられて濾過された供給流体が表面10bから表面10aまで通過することができる。図1bのガスケット2bおよび図2bのガスケット22aは、2つの表面1bおよび表面1aが互いに接合されると濾過膜9の周囲を封止する働きをする。2つのガスケット11およびガスケット22は原液板1および濾液板10の周囲を封止する働きをする。穴8および穴15を取り囲むガスケットは互いに接触して封止を形成する。穴7aおよび穴16を取り囲むガスケットは互いに接触して封止を形成する。
図3に示されるように、原液板1および濾液板10は互いに接合されて、その間に濾過膜9を取り囲み封止し、原液板1の周囲および濾液板10の周囲を封止する。互いに接合する2つの板10の表面は同じ形状構成を有し、この形状構成は穿孔17aを有する板10の表面に示される。穴3を取り囲むガスケットシールは穴16を取り囲むガスケットシールと接合する。穴4を取り囲むガスケットシールは穴15を取り囲むガスケットシールと接合する。図3に示されるように、到来する供給流体7は、穴5を通り抜け、表面1aを横切り、穿孔6aを通り抜け、膜フィルタ9(図1b)を通過する(通過して濾液8aになる)。第2の濾液8bは多孔性表面33を通して供給液体7aを通過することによって形成される。多孔性表面33は板1を成形するときに形成され得る。濾液8aは濾液8bと混合され、この濾液8bは穿孔17aを通過して濾液流れ8cを形成する。リテンテート12aは穴6および穴15を通過する。
図4を参照して、TFF濾過装置35はマニホールド36およびマニホールド37、濾過モジュール38のスタック、供給液体入口40、濾液出口42、ならびにリテンテート出口44を含む。濾過モジュール38ならびにマニホールド36およびマニホールド37はボルト45によって板41と板43との間に保持される。
図5を参照して、スナップ嵌合コネクタが示される。2つの可撓性の尖った先48を備えるオス接続要素46が濾液板10に取り付けられる。尖った先48は原液板1のメスコネクタ49aに嵌合する。
図6を参照して、他のスナップ嵌合コネクタが示される。オス接続要素51が濾液板10に取り付けられる。接続要素51は原液板1のメスコネクタ53に嵌合する。
図7を参照して、TFF濾過モジュールが示される。原液板25および濾液板27から構成される濾過要素28はマニホールド32とマニホールド34との間に配置される。マニホールド32には供給液体入口12および濾過出口36が設けられる。マニホールド34には濾液出口38および供給液体入口40が設けられる。一組の濾液出口手段42がマニホールド34に設けられ、一方、第2の組の濾液出口手段44がマニホールド32に設けられる。濾液出口手段42および濾液出口手段44は濾液導管径路46によって濾液出口36および濾液出口38に連結される。穴48は図示のような原液板25の表面のガスケットによって封止されない。穴48は図示されない原液板25の表面のガスケットで封止される。穴49は図示された濾液板27の表面のガスケット、および図示されない板27の表面のガスケットで封止される。板25の穴50は図示された板25の表面のガスケットで封止されず、図示されない板25の表面に封止される。板27の穴47は図示された板25の表面のガスケットで封止され、図示されない板27の表面のガスケットで封止されない。板25および板27のガスケットの形状は、流体の流れが矢印51、矢印53、矢印55、矢印57、矢印59、矢印61、矢印65、矢印36、および矢印38によって順次表されるように生じその結果すべての供給液体が濾過膜63を通過することを確実にする。到来する供給液体は矢印12および矢印40によって表される。
図8を参照して、濾過要素28は原液板25、濾過膜54、濾液板27、および第2の濾液板58を含む。原液板25および濾液板27にはそれぞれ開いた穴76および穴90、ならびにそれぞれガスケットを施した穴78および穴92がそれぞれ設けられ、それにより流体の流れが矢印51a、矢印53a、矢印55a、矢印57a、矢印59a、矢印61a、矢印63a、矢印65a、および矢印67aによって順次表されるように生じることを確実にする。
図9aおよび図9bを参照して、原液板25の2つの表面25aおよび表面25bが示される。表面25aは外周ガスケット66および内周ガスケット68を含む。穴70および穴72のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。表面25bは外周ガスケット74を含む。穴76のそれぞれは流体の流れを受け容れる。穴78のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。膜54は表面25aに配置され、ガスケット66およびガスケット68によって取り囲まれる。
図10aおよび図10bを参照して、原液板27の2つの表面27aおよび表面27bが示される。表面27aは外周ガスケット80および内周ガスケット82を含む。穴84および穴86のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。表面27bは外周ガスケット88を含む。穴90のそれぞれは流体の流れを受け容れる。膜54はガスケット80およびガスケット82によって取り囲まれる。穴92のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。
図9a、図9b、図10a、および図10bの流体板25および濾液板27は互いに接合されてその間に濾過膜54を取り囲み封止する。シールは、外周ガスケット66および外周ガスケット80が接合して封止を形成するように行われる。また、周辺ガスケット68および周辺ガスケット82もその間に濾過膜54と接合する。穴70を取り囲むガスケットは穴84を取り囲むガスケットと接合する。穴72を取り囲むガスケットは穴86を取り囲むガスケットシールと接合する。図11を参照して、NFF濾過モジュール98はマニホールド32およびマニホールド34、濾過モジュール100のスタック、供給液体入口102、ならびに濾液出口104を含む。濾過モジュール100ならびにマニホールド32およびマニホールド34はボルト110によって板106と板108との間に保持される。
図4および図11の濾過装置は使用の間、マニホールドからマニホールドまでの間で締め付けられて、上述のようにガスケットに圧力を加える。濾過が完了すると締め付けが解除され、濾過モジュールのスタックは廃棄される。
濾過膜は複合膜を含む単一層または多層から形成され得る。
本発明は、限外濾過(UF)、精密濾過フィルタ、(MF)、ナノ濾過フィルタ、ならびにきめの粗いフィルタまたはマクロ濾過フィルタ等で使用され得る。
限外濾過(UF)フィルタ(これはこのプロセスで使用され得る)は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、およびポリアリルスルホンを含むポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ならびにセルロースおよびその誘導体(ニトロセルロースや再生セルロースなど)を含むがこれに限定されないグループから形成され得る。これらのフィルタは通常支持層を含み、この支持層は一般に高多孔性構造体から形成される。これらの支持層の典型的な材料には、スパンボンデッドのポリエチレンまたはポリプロピレンのような様々な不織材料、紙またはガラス、あるいはフィルタ自体として同一もしくは異なるポリマーから形成される微孔性材料がある。あるいはこの支持は、マクロボイド有りまたは無しのいずれかで形成され得る限外濾過の明らかに多孔質の、非対称の一体部分であることができる。この種のフィルタは当業界でよく知られており、Millipore Corporation of Billerica,MAなどの様々な供給源から市販されている。
適切なUFフィルタは、Millipore Corporation of Billerica,MAから入手可能であるYM(商標)フィルタまたはBiomax(登録商標)フィルタなどの再生セルロースフィルタ、またはポリスルホンフィルタを含む。
本発明のTFF原液板の第1の表面の透視図である。 膜を含む、図1aのTFF原液板の第2の表面の透視図である。 図1aの第1の表面に対して180°に配置される、本発明のTFF濾液板の第1の表面の透視図である。 膜を含む、図2aのTFF濾液板の底面の透視図である。 本発明の2つのTFF濾過モジュールの分解図であり、それぞれが原液板および濾液板を備える図である。 本発明のTFF濾過装置の透視図である。 本発明に有用なスナップ嵌合配置の側面図である。 本発明に有用な他のスナップ嵌合配置の側面図である。 本発明のTFF装置の透視図である。 本発明のNFF濾過モジュールの分解図である。 本発明のNFF原液板の第1の表面の透視図である。 図9aのNFF原液板の第2の表面の透視図である。 本発明のNFF濾液板の第1の表面の透視図である。 図10aのNFF濾液板の第2の表面の透視図である。 本発明のNFF装置の透視図である。
符号の説明
1、25、27 原液板
1a、1b、10a、10b、27a、27b 表面
2、11、13、22、66、74、80、88 外周ガスケット
2b、22a、68、82 内周ガスケット
3、4、5、6、7a、8、15、16、17、18、19、20、47、48、49、50、70、72、76、78、84、86、90、90a、92 穴
6a、17a、94、96 穿孔
7 供給液体
8a、8b 濾液
8c 濾液流れ
9、54、63 濾過膜、濾過フィルタ、膜フィルタ
10 濾液板
12、40、102 供給液体入口
12a リテンテート
28 濾過要素
32、34、36、37 マニホールド
35 TFF濾過装置
38 フィルタモジュール、
41、43、106、108 板
42、104 濾液出口、濾液出口手段
44 リテンテート入口、濾液出口手段
45、110 ボルト
46 濾液導管径路
98 NFF濾過モジュール
100 濾過モジュール
36、38、40、51、53、55、57、59、61、51a、53a、55a、57a、59a、61a、63a、65a、67a 矢印

Claims (8)

  1. 原液板、濾過板、ならびに原液板および濾液板上のガスケットによって原液板と濾過板との間に配置される濾過膜を有する少なくとも1つの濾過モジュールを備える、濾過装置。
  2. 装置が複数の濾過モジュールを有する、請求項1に記載の濾過装置。
  3. 装置が、濾過装置内で接線方向流れの濾過を行う1つまたは複数の流体流路を有する、請求項1に記載の濾過装置。
  4. 装置が、濾過装置内で通常流れの濾過を行う1つまたは複数の流体流路を有する、請求項1に記載の濾過装置。
  5. 原液板および濾過板がその間の膜と共に互いにスナップ嵌合される、請求項1に記載の濾過装置。
  6. 装置が複数の濾過モジュールを有し、原液板および濾過板がその間の膜と共に互いにスナップ嵌合される、請求項1に記載の濾過装置。
  7. 装置が複数の前記濾過モジュールを有し、流れが通常流れの濾過および接線方向流れの濾過から成るグループから選択され、原液板および濾過板がその間の膜と共に互いにスナップ嵌合される、請求項1に記載の濾過装置。
  8. ガスケットが板上の然るべき位置に成形される、請求項1に記載の濾過装置。
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