JP2017530001A - 一体的な生物反応器を含む渦巻き状濾過アセンブリ - Google Patents

Abstract

ｉ）供給液ポート、濃縮液ポート、及び透過液ポートを備える圧力容器と、ｉｉ）透過液ポートへの透過液通路を形成する透過液管の周囲に巻き付けられた少なくとも１つの膜エンベロープを備える少なくとも１つの渦巻き状膜モジュールと、ｉｉｉ）第１の端部から第２の端部へ軸（Ｙ）に沿って延びる円筒形の外周、第１の端部付近に位置する入口、及び第２の端部付近に位置する出口を有する生物反応器と、を備える渦巻き状濾過アセンブリであって、渦巻き状膜モジュール及び生物反応器は、圧力容器内に直列に配置される、渦巻き状濾過アセンブリ。【選択図】図３

Description

本発明は、共通の容器内で一体的な生物反応器に直列に接続される１つ以上の渦巻き状膜モジュールを含む渦巻き状アセンブリを目的とする。

渦巻き状濾過アセンブリは、多種多様な流体分離において使用される。従来の実施形態において、１つ以上の渦巻き状膜モジュール（「要素」）が、圧力容器内で直列に配置され、相互接続される。動作中、加圧された供給流体が、容器へ導入され、連続して個々のモジュールを通過し、濃縮液及び透過液の少なくとも２つの流れで容器から出る。渦巻き状膜アセンブリの性能は、しばしば、付着によって時間と共に劣化する。付着は、モジュール内の様々な表面上での残渣の形成を含む。より一般的な種類の付着は、スケーリング、コロイドまたは粒子堆積、有機付着（有機化合物の吸着）及び生物付着（モジュール内の様々な表面上での生物膜の成長）を含む。生物付着は、典型的に、渦巻き状アセンブリから上流の供給水に酸化剤（例えば、漂白剤）、殺生物剤または制生剤を導入することによって対処される。供給水は、また、さもなければ渦巻き状アセンブリ内での生物付着の一因となるであろう栄養物を低減させるために、生物反応器で前処理されてもよい。例は、米国特許出願公開第２０１２／０１９３２８７号、米国特許第７，０４５，０６３号、欧州特許第１２７２４３号、及びＨ．Ｃ．Ｆｌｅｍｍｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，１１３（１９９７）２１５−２２５、Ｈ．Ｂｒｏｕｗｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．１１，ｉｓｓｕｅｓ １−３（２００６）１５−１７に記載される。これらの例のそれぞれでは、供給水は、渦巻き状アセンブリから上流の位置において生物反応器で前処理される。

本発明は、
ｉ）供給液ポート、濃縮液ポート、及び透過液ポートを備える圧力容器と、
ｉｉ）透過液ポートへの透過液通路を形成する透過液管の周囲に巻き付けられた少なくとも１つの膜エンベロープを備える少なくとも１つの渦巻き状膜モジュールと、
ｉｉｉ）第１の端部から第２の端部へ軸（Ｙ）に沿って延びる円筒形の外周、第１の端部付近に位置する入口、及び第２の端部付近に位置する出口を有する生物反応器と、
を含む、渦巻き状濾過アセンブリを目的とする。

渦巻き状膜モジュール及び生物反応器は、容器の供給液ポートからの供給液が、生物反応器の入口からその出口へと流れるように、圧力容器内に直列に配置される。液体の一部は、その後、渦巻き状膜モジュールを通り、容器の濃縮液ポートで容器から出て、液体の残りは、膜を通過して透過液ポートで容器から出る。

図は、正確な縮尺ではなく、説明を容易にするための理想的な図を含む。可能であれば、同一番号は、同じまたは同類の機能を指定するために図及び記載される説明全体で使用されている。

図１は、渦巻き状膜モジュールの透視、部分切断図である。 図２Ａ及びＢは、渦巻き状生物反応器の正面図である。図２Ｃは、渦巻き状生物反応器の透視図である。 図３Ａ〜Ｄは、本発明の様々な実施形態の断面図である。 図４Ａ〜Ｄは、清浄作業中における様々な実施形態の断面図である。

本発明は、供給液ポート、濃縮液ポート、及び少なくとも１つの透過液ポートを含む圧力容器を含む渦巻き状濾過アセンブリを含む。生物反応器及び少なくとも１つであるが、好ましくは複数の渦巻き状膜モジュールは、供給液が生物反応器と渦巻き状膜モジュールの両方を連続して流れるように、圧力容器内で直列に配置される。生物反応器は、第１の端部から第２の端部へ軸に沿って延びる円筒形の外周、第１の端部付近に位置する入口、及び第２の端部付近に位置する出口を有する。１つの好ましい実施形態において、生物反応器は、２つの対向する生物成長表面を有する平面シート及び軸の周囲に渦状に巻き付けられた供給液スペーサーを備える渦巻き状の構成を有し、供給液スペーサーは、生物反応器の入口から出口へ平面シートの生物成長表面に沿って延びる流動チャネルを画定する。容器の供給液ポートを入る供給液は、生物反応器の入口から流れ、出口を介して出る。液体の一部は、その後、渦巻き状膜モジュールを通り、容器の濃縮液ポートで容器から出て、液体の残りは、膜を通過して透過液ポートで容器から出る。この設計は、生物反応器及び渦巻き状膜モジュールが、共通の圧力容器内で直列に配置されるという点において「一体的」と称される。

本発明で使用される圧力容器は、特に限定されていないが、好ましくは、動作条件に関連する圧力に耐えることができる丈夫な構造を含む。容器構造は、好ましくは、内周を有するチャンバを含み、内周は、その中に収納される渦巻き状膜モジュールの外周のそれに相当する。チャンバの長さは、好ましくは、連続的に（軸方向に）搭載される生物反応器及び渦巻き状膜モジュールの合わせた長さに相当する。好ましくは、容器は、２〜８の渦巻き状膜モジュールを含有する。米国特許出願公開第２００７／０２７２６２８号を参照。圧力容器は、また、モジュールに搭載された時点でチャンバを密封する１つ以上の端部プレートを含んでもよい。容器は、容器の反対端に、または付近に位置する供給液及び濃縮液のための流体ポート、ならびに少なくとも１つの透過液ポートをさらに含む。一般に、透過液ポートは、容器の両反対端に位置する。圧力容器の方向は、特に限定されないが、例えば、水平及び垂直方向の両方が使用されてもよい。適切な圧力容器、モジュール配置、及び搭載の例は、米国特許第６，０７４，５９５号、同第６，１６５，３０３号、同第６，２９９，７７２号、及び同第２００８／０３０８５０４号に記載される。圧力容器の製造業者は、Ｐｅｎｔａｉｒ ｏｆ Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ ＭＮ、Ｂｅｋａｅｒｔ ｏｆ Ｖｉｓｔａ ＣＡ及びＢｅｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｆ Ｂｅｅｒ Ｓｈｅｖａ，Ｉｓｒａｅｌを含む。

それぞれ１つ以上の渦巻き状膜モジュールを備える、個々の圧力容器または連携する容器の群は、「トレーン」または「パス」と称されることができる。パス内の容器は、１つ以上の段に配置されてもよく、それぞれの段は、供給流体に対して並列して動作する１つ以上の容器を含有する。複数の段は、直列に配置され、それにより、上流の段からの濃縮流体は、下流の段に対する供給流体として使用されると同時に、各段からの透過液は、パス内でさらに再処理せずに回収される。多重パス超濾過システムは、米国特許第４，１５６，６４５号、同第６，１８７，２００号、同第７，１４４，５１１号、及び国際公開第２０１３／１３０３１２号に記載される通り、流体通路に沿って個々のパスを相互に連結することによって構成される。

本発明で有用な渦巻き状膜モジュール（「要素」）は、特に限定されず、逆浸透（ＲＯ）、ナノ濾過（ＮＦ）、限外濾過（ＵＦ）及び精密濾過（ＭＦ）での使用のために設計されたものを含む。しかしながら、本発明は、ＲＯ及びＮＦ用途での特定の使用を見出す。（ＲＯ及びＮＦは、超濾過と総称されることができる。）概して、渦巻き状膜モジュールは、透過液回収管の周囲に巻き付けられた１つ以上の膜エンベロープ及び供給液スペーサーシートを含む。エンベロープを形成するために使用されるＲＯ膜は、可視的にすべて溶解した塩に対して比較的不透過性であり、典型的に、塩化ナトリウム等の一価イオンを有する塩の約９５％超をカットする。ＲＯ膜は、また、典型的に、無機分子及び約１００ダルトンより大きい分子量を有する有機分子の約９５％超をカットする。ＮＦ膜は、ＲＯ膜より透過性があり、典型的に、一価イオンを有する塩の約９５％未満をカットすると同時に、二価イオンの種によるが、二価イオンを有する塩の約５０％より大きい（及びしばしば９０％より大きい）割合をカットする。ＮＦ膜は、また、典型的に、ナノメートル領域における粒子及び約２００〜５００ダルトンより大きい分子量を有する有機分子をカットする。

代表的な渦巻き状膜モジュールは、図１に概して示される。モジュール（２）は、透過液回収管（８）の周囲に１つ以上の膜エンベロープ（４）及び供給液スペーサーシート（「供給液スペーサー」）（６）を同心円状に巻き付けることによって形成される。各膜エンベロープ（４）は、好ましくは、膜シート（１０、１０’）の２つの実質的に長方形の部分を備える。膜シート（１０、１０’）の各部分は、膜または前側（３４）及び支持物または裏側（３６）を有する。膜エンベロープ（４）は、膜シート（１０、１０’）を重ね、それらの端を並べることによって形成される。好ましい実施形態において、膜シートの断面（１０、１０’）は、透過液チャネルスペーサーシート（「透過液スペーサー」）（１２）を囲む。このサンドイッチ型構造は、エンベロープ（４）を形成するために３つの端（１６、１８、２０）に沿って、例えば、封止剤（１４）で互いに固定されると同時に、エンベロープ（４）（及び任意の透過液スペーサー（１２））の内側部分が、透過液回収管（８）の長さに沿って延びる複数の開口（２４）と流体連通するように、第４の端、すなわち、「近位端」（２２）は、透過液回収管（８）に隣接する。モジュール（２）は、好ましくは、複数の供給液スペーサーシート（６）によって分離される複数の膜エンベロープ（４）を備える。図で示した実施形態において、膜エンベロープ（４）は、隣接配置された膜リーフパケットの裏側（３６）の表面を接合することによって形成される。膜リーフパケットは、実質的に長方形の膜シート（１０）を備え、それは、２つの膜「リーフ」を画定するためにそれ自体の上に折り畳まれ、各リーフの前側（３４）は、互いに向き合い、折った部分は、膜エンベロープ（４）の近位端（２２）と軸方向に並び、すなわち、透過液回収管（８）と並行する。供給液スペーサーシート（６）は、折られた膜シート（１０）の向き合う前側（３４）の間に位置するように示される。供給液スペーサーシート（６）は、モジュール（２）を通って軸方向（すなわち、透過液回収管（８）と並行）に供給流体の流れを促進する。示されていないが、追加の中間層もまた、アセンブリに含まれてもよい。膜リーフパケット及びそれらの製作の代表的な例は、米国特許第７，８７５，１７７号にさらに記載される。

モジュール製作の間、透過液スペーサーシート（１２）は、膜リーフパケットが、その間に交互に挟まった状態で透過液回収管（８）の円周の周囲に取り付けられてもよい。隣接配置された膜リーフ（１０、１０’）の裏側（３６）は、膜エンベロープ（４）を形成するために透過液スペーサーシート（１２）を囲むようにそれらの外面（１６、１８、２０）の部分の周囲を密封する。透過液スペーサーシートを透過液回収管に取り付けるための適切な技術は、米国特許第５，５３８，６４２号に記載される。膜エンベロープ（４）及び供給液スペーサー（６）は、対向する端部で２つの対向する渦巻き面（３０、３２）を形成するように透過液回収管（８）の周囲に同心円状に巻き付けられるか、または「巻かれ」、得られた渦状の束は、テープまたは他の手段等によって適所に保持される。（３０、３２）の渦巻き面は、その後、整えられてもよく、米国特許第７，９５１，２９５号に記載される通り、封止剤が、渦巻き面（３０、３２）と透過液回収管（８）との間の接合点で任意で適用されてもよい。長いガラス繊維が、部分的に構成されたモジュール及び適用され、硬化した樹脂（例えば、液体エポキシ）の周囲に巻き付けられてもよい。代替の実施形態において、米国特許第８，１４２，５８８号に記載される通り、テープが、巻き付けられたモジュールの周囲に適用されてもよい。モジュールの端部は、モジュールの入口及び出口渦巻き端部との間の圧力差の下で膜エンベロープが移動しないように設計されたアンチ伸縮装置または後端キャップ（図示せず）に取り付けられてもよい。代表的な例は、米国特許第５，８５１，３５６号、同第６，２２４，７６７号、同第７，０６３，７８９号、同第７，１９８，７１９号、及び国際公開第２０１４／１２０５８９号に記載される。本発明の必要とされる態様ではないが、本発明の好ましい実施形態は、係合した後端キャップとの間の関連する軸方向運動を防止するためのロック構造を含む後端キャップを含む。後端キャップとの間のそのようなロック構造は、１つの後端キャップの外部ハブの内側から放射状に内側に向けて延びる１つ以上の突起またはキャッチが、向かい合う後端キャップの外部ハブの周囲に配置される対応するレセプタクルに入るように、隣接する後端キャップを並べることによって係合されてもよい。後端キャップは、その後、突起または「キャッチ」が、レセプタクルの対応する構造に接触または「引っかかる」まで、１つの後端キャップを他の後端キャップに対して回転することによって係合される。この種類のロック後端キャップは、ｉＬＥＣ（商標）でＴｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能であり、米国特許第６，６３２，３５６号及び同第８，４２５，７７３号にさらに記載される。そのような後端キャップが使用されない場合、相互接続管が、供給液との透過液の混合を防止するために使用されてもよい。供給流体が容器内の要素を迂回することを制限するために、様々な種類の密封剤（例えば、Ｃｈｅｖｒｏｎ型、Ｏリング、Ｕカップ等）が、要素の外周と容器の内周との間に配置されてもよい。代表的な例は、米国特許第８，７５８，４８９号、同第８，３８８，８４２号、同第８，１１０，０１６号、同第６，２９９，７７２号、同第６，０６６，２５４号、同第５，８５１，２６７号、同第８，３７７，３００号、及び国際公開第２０１４／０６６０３５号に記載される。いくつかの実施形態において、密封アセンブリは、限定された供給流体が要素の周りを流れることを可能にするバイパスを備え、例えば、米国特許第５，１２８，０３７号、同第７，２０８，０８８号、及び同第８，７７８，１８２を参照。

渦巻き状膜モジュールの様々な構成要素を構成するための材料は、当技術分野で周知である。膜エンベロープを密封するための適切な封止剤は、ウレタン、エポキシ、シリコーン、アクリレート、熱溶融性接着剤及び紫外線硬化接着剤を含む。あまり一般的ではないが、熱、圧力、超音波溶接及びテープ等の他の密封手段もまた使用されてもよい。透過液回収管は、典型的に、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリ（フェニレンオキシド）、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンまたは同様のもの等のプラスチック材料から作製される。トリコットポリエステル材料は、透過液スペーサーとして一般的に使用される。さらなる透過液スペーサーは、米国特許第８，３８８，８４８号に記載される。代表的な供給液スペーサーは、ポリエチレン、ポリエステル、及びポリプロピレンメッシュ材料を含み、Ｃｏｎｗｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓから商品名ＶＥＸＡＲ（商標）で市販されるもの等を含む。好ましい供給液スペーサーは、米国特許第６，８８１，３３６号に記載される。代替として、供給液スペーサーは、膜シート上に形成された複数の高くなった領域、例えば、金型またはローラーによって形成される型押し模様、膜シート上に蒸着されたポリマーの球形または線、波型膜等を備えてもよい。（例えば、米国特許第６，６３２，３５７号及び同第７，３１１，８３１号を参照。）

膜シートは、特に限定されていなく、酢酸セルロース材料、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン等の多種多様な材料が使用されてもよい。好ましい膜シートは、ＦｉｌｍＴｅｃ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＴ−３０（商標）型膜、すなわち、不織バッキングウェブのバッキング層（裏側）（例えば、Ａｗａ Ｐａｐｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なポリエステル繊維織物等の不織布）、約２５〜１２５μｍの典型的厚さを有する多孔性担体を備える中間層、及び典型的に、約１ミクロン未満、例えば、０．０１ミクロン〜１ミクロンであるが、より一般的に約０．０１〜０．１μｍの厚さを有する薄膜ポリアミド層を備える上切替層（前側）を含む。バッキング層は、特に限定されてないが、好ましくは、配向されていてもよい繊維を含む不織布または繊維ウェブマットを備える。代替として、帆布等の織物が使用されてもよい。代表的な例は、米国特許第４，２１４，９９４号、同第４，７９５，５５９号、同第５，４３５，９５７号、同第５，９１９，０２６号、同第６，１５６，６８０号、同第８，６０８，９６４号、及び同第７，０４８，８５５号に記載される。多孔性担体は、典型的に、透過液のほとんど制限されない通過を可能にするに十分な大きさの細孔径であるが、その上に形成される薄膜ポリアミド層の橋掛けを妨げるほど大きくないものを有する高分子材料である。例えば、担体の細孔径は、好ましくは、約０．００１〜０．５μｍの範囲である。多孔性担体の非限定例は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリフッ化ビニリデン等の様々なハロゲン化ポリマーから作製されたものを含む。切替層は、好ましくは、米国特許第４，２７７，３４４号及び同第６，８７８，２７８号に記載される通り、細孔性ポリマー層の表面上での多官能性アミンモノマーと多官能性ハロゲン化アシルモノマーとの間の界面重縮合反応によって形成される。

図１に示される矢印は、動作中の供給及び透過流体（「生成物」または「濾液」とも称される）のおおよその流れ方向（２６、２８）を表す。供給流体は、入口渦巻き面（３０）からモジュール（２）に入り、膜シートの前側（３４）をわたって流れ、対向する出口渦巻き面（３２）でモジュール（２）から出る。透過流体は、矢印（２８）によって示される通りの供給の流れにほぼ垂直な方向で透過液スペーサーシート（１２）に沿って流れる。実際の流体の流動経路は、構成及び動作条件の詳細によって異なる。

モジュールは、様々な大きさで入手可能であるが、１つの一般的な工業用ＲＯモジュールが、標準的な８インチ（２０．３ｃｍ）の直径及び４０インチ（１０１．６ｃｍ）の長さで入手可能である。典型的な８インチの直径のモジュールに対して、２６〜３０の個々の膜エンベロープが、透過液回収管の周囲を巻き付けられる（すなわち、約１．５〜１．９インチ（３．８ｃｍ〜４．８ｃｍ）の外径を有する透過液回収管に対して）。米国特許第８，４９６，８２５号に記載されるものを含む、それほど標準的ではないモジュールもまた使用されてもよい。

本発明における使用のための生物反応器の設計及び構成は、特に限定されていない。例えば、渦巻き状、中空糸、流動床及び板枠式構成が使用されてもよいが、それぞれの場合、生物反応器の外周は、好ましくは、円筒形であり、渦巻き状モジュールを備える圧力容器内に収まる大きさである。好ましくは、生物反応器は、１８５ｍｍ及び３７０ｍｍから選択される距離の１０％以内の外径を有する。これらの寸法は、標準的な８インチ直径渦巻き状膜モジュールのものと同様であり、それらは、生物反応器が、同様の大きさの容器及びパイプの最も一般的な寸法内に収まることを可能にする。円筒形の生物反応器の入口及び出口端部は、平面であってもよいが、他の構成が使用されてもよい。例えば、容器が、供給液のための側面ポートを備える場合、生物反応器の増加した容積は、容器の供給液ポートからの流れを妨げない位置で容器の上流端部により近づくように生物反応器を延ばすことによって得られてもよい。１つの好ましい実施形態において、容器は、側面入口ポートを有し、生物反応器ユニットは、入口ポートに並行する軸方向の位置で容器の領域へ延びる（例えば、円筒形のＶ字形または円錐形の端部）。

生物反応器の外周は、例えば、テープ、繊維ガラス等、渦巻き状膜モジュール関して上述される通りの同じ方法で仕上げられてもよい。生物反応器は、代替として、成形、収縮包装、または押出シェル（例えば、ＰＶＣまたはＣＰＶＣ）に入れられてもよい。外径は、また、好ましくは、圧力容器内での収容を提供するように渦巻き状モジュールのそれと同じまたは同様である。しかしながら、塩水シールは、渦巻き状モジュールと比較して外径の差を補うために生物反応器の周囲に処理されてもよい。代替として、または追加的に、生物反応器は、渦巻き状モジュールに関連して一般的に使用されるアンチ伸縮装置を含んでもよい。一実施形態において、生物反応器は、隣接する渦巻き状膜モジュールと連動する後端キャップを含む（例えば、米国特許第６，６３２，３５６号及び同第８，４２５，７７３号を参照）。

生物反応器は、好ましくは、少なくとも１つ、及び好ましくは、すべての渦巻き状膜モジュールの上流の位置で容器内に配置される。そのような配置で、供給水中に存在する生物栄養物は、生物反応器中に存在する微生物によって消費され、下流渦巻き状膜モジュールではあまりなく、それによって、膜モジュールにおける生物付着が減少する。生物反応器は、容器内にあるため、場所が保存され、生物反応器の追加的な加圧及び格納は、必要としない。生物反応器は、膜濾過装置としての役割を果たさないため、生物反応器内の生物膜の集積は、下流渦巻き状膜モジュールの分離効率にほとんど影響を与えない。生物成長が、最終的に、生物反応器を通して供給の流れを制限する場合、生物反応器は、清掃または交換されてもよい。

生物反応器は、生物成長表面及び入口から出口へ延びる流動チャネルを含む。生物反応器は、好ましくは、下流渦巻き状モジュールを保護するに十分な大きさである。本発明の多くの実施形態で望ましい比較的高い流率のため、成長表面は、生物反応器の入口及び出口を接続する流動チャネルに隣接するそれらの表面として画定されてもよい。好ましくは、生物反応器は、隣接する渦巻き状モジュール内の膜の表面部分（供給に曝されている）と少なくとも同等、より好ましくは、少なくとも１．５倍または少なくとも２．０倍である生物成長表面部分を有する。しかしながら、容器の総膜表面部分は、下流超濾過モジュールにおける曝された膜表面の部分に対する生物反応器内の平面シート部分の比率が、好ましくは、１．０未満、より好ましくは、０．５未満であるために、それほど重要ではない。

下流渦巻き状膜モジュールでの付着を引き起こし得る生物栄養物の大部分を除去しながら高い流率で動作するために、生物反応器を通過する流れに対して最小限の抵抗をさらに提供すると同時に、流動チャネルに接する生物成長表面の大きい部分が望ましい。好ましくは、流動チャネルの空隙容積（生物成長表面の間の固体によって塞がれない容積）は、生物反応器の容積の少なくとも６５％（より好ましくは、７５％またはさらに８５％）を含む。各生物反応器に対する、生物成長表面部分の生物反応器の容積に対する比率は、好ましくは、１５ｃｍ−１と１５０ｃｍ−１との間（より好ましくは、２０ｃｍ−１と１００ｃｍ−１との間）である。一実施形態において、生物反応器は、微粒子の充填床を備え、その表面は、生物成長表面を提供し、流動チャネルは、個々の粒子の間に存在する。他の実施形態において、平面または管状シートが、生物成長表面を提供してもよい一方で、流動チャネルは、溝または流れ経路を含むスペーサー材料（例えば、織布材料等）の間または方法によって提供されてもよい。

図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、渦巻き状の構成の生物反応器の様々な実施形態を解説する。より特定すると、第１の端部（７６）から第２の端部（７６’）へと軸（Ｙ）に沿って延びる円筒形の外周を有する生物反応器（３８）が示され、入口（４６）は、第１の端部（７６）付近に位置し、出口（４８）は、第２の端部（７６’）付近に位置する。生物反応器（３８）は、２つの対向する生物成長表面（５０、５０’）及び軸（Ｙ）の周囲に渦状に巻き付けられた供給液スペーサー（４２）を有する平面シート（４０）を含み、供給液スペーサー（４２）は、生物反応器（３８）の入口（４６）から出口（４８）へと平面シート（４０）の生物成長表面（５０、５０’）に沿って延びる流動チャネル（４３）を画定する。巻き付けの過程は、平面シート（４０）の反対側にある生物成長表面（５０、５０’）に隣接する流動チャネル（４３）を作成する。

図２Ｂでは、平面シート（４０）及びスペーサー（４２）は、中空導管（４４）の周囲に渦状に巻き付けられている。図示されない代替の実施形態において、中空導管は、中実ロッドで置換されてもよい。中空導管（４４）を含むように図２Ｂでは示されるが、生物反応器（３８）の導管は、好ましくは、不透過性であり、したがって、平面シート（４０）及び供給液スペーサー（４２）との直接流体連通から密封され、渦巻き状モジュール（２、２’、２’’、２’’’）の透過液管（８）に直列に接続される。（図３Ｂ及び３Ｃは、同様の配置でのアセンブリを解説する。）したがって、生物反応器は、平面シートが、導管へ流れる透過を引き起こさないという点で、渦巻き状膜モジュールとして機能しない。むしろ、図２Ｃにおける矢印によって一般的に示される通り、供給は、生物反応器の入口（４６）へ通過し、供給液スペーサー（４２）の流動チャネルに沿って通過し、出口（４８）を介して出る。生物反応器（３８）を通過する間、液体（例えば、水）は、微生物が駐在するプラットフォームを提供する平面シート（４０）に接触する。供給中の栄養物は、生物反応器（３８）を出る液体が、下流渦巻き状膜モジュールへ通過する前に、栄養物を枯渇するように、微生物によって消費される（図３に示す）。

供給液スペーサー（４２）は、好ましくは、隣接する生物成長表面（５０、５０’）の間に、０．１ｍｍと１．５ｍｍとの間、より好ましくは、０．１５ｍｍと１．０ｍｍとの間の流動チャネル（４３）を提供する。０．１５ｍｍ未満のチャネルは、流動チャネルを通る圧力降下が、より頻繁な清掃を必要とするように、生物成長によってより容易に閉塞される。１．０ｍｍより大きいチャネルは、問題のある栄養物を消去するために望ましい生物成長を引き起こす点ではそれほど効率は良くない。渦巻き状膜モジュール（２、２’、２’’、２’’’）のように、渦巻き状生物反応器（３８）は、１つ以上の重なった平面シート及びスペーサーで作製されてもよいが、単一の平面シートのみを使用することが好ましい。

記述した通り、生物反応器（３８）の平面シート（４０）は、２つの対向する（外側）生物成長表面（５０、５０’）を備える。平面シートは、不透過性であってもよい。代替として、清掃に役立つため、対向する生物成長表面（５０、５０’）は、平面シート（４０）の土台を通って互いに流体連通していてもよい。特に限定されないが、この透過性平面シートは、穿孔を有する一般的な不透過性シート、ＵＦまたはＭＦ膜、織物または不織布材料、繊維土台等を含んでもよい。適切な材料の例は、米国特許第５，５６３，０６９号に記載される。しかしながら、米国特許第５，５６３，０６９号に記載される一般設計とは異なり、本発明の平面シートは、供給液スペーサー（４２）で分離される、両外面上の生物成長表面（５０、５０’）を含む。好ましい材料は、０．１μｍより大きいか、または１０μｍより大きい細孔径を有するポリマーシートを含む。ポリマーシートは、また、清掃中に妨害流体を汚染領域へと促す、１０μｍより大きい大きさのマクロ孔を含んでもよい。適用されるポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、及びポリフッ化ビニリデンを含むが、これらに限定されない。本発明の生物反応器は、好ましくは、比較的高い流率で動作するため、平面シートの厚さは、好ましくは、スペーサーの厚さ未満である。好ましくは、平面シートの厚さは、１ｍｍ未満、より好ましくは、０．５ｍｍ、またはさらに０．２ｍｍ未満である。

渦巻き状生物反応器（３８）の供給液スペーサー（４２）は、特に限定されないが、渦巻き状膜モジュールに関連して上述される供給液スペーサーを含む。スペーサーに隣接する平面シートの大部分が、スペーサーとの接触によって閉塞されないことが望ましい。スペーサーに対する好ましい構造は、交点を有する網様シート材料を含み、交点の厚さは、その間のより糸の平均厚さより大きい。スペーサーは、隆起ステップによって、平面シートへの接着層の適用によって、または表面への適切な大きさの芯／シェル玉の添付によって等、平面シートの高くなった領域の集合であってもよい。渦状に巻き付けられた時点で、供給液スペーサーは、好ましくは、平面シートの隣接する生物成長表面の間に、０．１０ｍｍ〜１．５ｍｍ、より好ましくは、０．１５ｍｍ〜１．０ｍｍの流動チャネルを提供する。シートの形式で提供される場合、近位の供給液スペーサー（４２）及び平面シート（４０）の部分は、選択的に互いに結合、例えば、それらの表面上のそれらの外面または間欠領域の部分に沿って互いに接着されてもよい。そのような結合は、生物反応器に強度を追加し、伸縮を軽減する。

対象の渦巻き状濾過アセンブリの代表的な実施形態は、一般的に、図３Ａ〜Ｄに示され、供給液ポート（５４）、濃縮液ポート（５６）及び透過液ポート（５８）を有する圧力容器（５２）を含む。供給液ポート（５４）は、容器（５２）に入り得る供給液の加圧された源との接続のために適合される。濃縮液ポート（５６）は、再利用または廃棄のための通路との接続のために適合される。透過液ポート（５８）は、保存、使用、またはさらなる処理のための容器の外側の通路への接続のために適合される。４つの渦巻き状膜モジュール（２、２’、２’’、２’’’）は、容器（５２）内に直列に配置され、直列のうちの最初の要素（２）は、圧力容器（５２）の第１の端部（６０）に最も近く位置付けられ、直列のうちの最後の要素（２’’’）は、圧力容器（５２）の対向する第２の端部（６２）に隣接して位置する。明確にするために、容器の「端部」は、容器内に位置するモジュールの遠位または近位端部を超えて延びるそれらの部分を含む。例えば、供給液ポート（５４）及び濃縮液ポート（５６）は、図３Ａ、Ｃ及びＤで解説される通り、円筒形の容器の径方向側上か、または軸位置に位置されてもよい。渦巻き状膜モジュール（２、２’、２’’、２’’’）の透過液管（８）は、透過液ポート（５８）に接続される透過液通路（矢印によって示される）を形成するために直列に接続される。モジュールの導管（４４）及び管（８）を接続するための手段は、特に限定されない。例えば、相互接続管（６４）または典型的に圧力フィットシールまたはＯリングを含む後端キャップ（図示せず）は、当技術分野で一般的であり、本発明における使用に適切である。透過液通路は、代替として、容器にある異なる渦巻き状膜モジュールからの容器の反対の端部へ透過液を方向付けるために、米国特許第４，０４６，６８５号にある通り、流れに対する完全または部分的障壁で分けられてもよい。４つのモジュールに含まれるように示されるが、他の量、例えば、１〜１２が使用されてもよい。

生物反応器（３８）は、直列にすべての渦巻き状膜モジュール（２、２’、２’’、２’’’）から上流に容器（５２）の第１の端部（６０）に隣接して位置するが、代替として、渦巻き状膜モジュールの間に位置付けられるか、または容器（５２）の第２の端部（６２）付近に位置してもよい。好ましい実施形態において、生物反応器は、少なくとも１つの渦巻き状膜モジュールの上流に位置するが、より好ましくは、すべての渦巻き状膜モジュールの上流である。示されていないが、複数の生物反応器は、単一の容器内で使用されてもよく、直列に隣接する生物反応器は、１つとみなされもよい。動作中、供給液は、生物反応器及び渦巻き状膜モジュールとの両方を通って連続して流れる。

図３Ａ〜Ｄでは、生物反応器（３８）は、対向する第１（７６）及び第２の端部（７６’）上に位置する入口（４６）と出口（４８）との間に延びる第１の端部（７６）から第２の端部（７６’）の流動チャネル（４３）へ軸に沿って延びる。図３Ａ及び３Ｄを特に参照すると、生物反応器（３８）は、中実ロッド（７８）または中心軸を含む。これらの実施形態において、生物反応器を通って流れる透過液はない。対照的に、図３Ｂ及び３Ｃの実施形態における生物反応器は、透過液が透過液ポート（５６）を介して容器（５２）を出るための透過液通路を形成するために渦巻き状膜モジュール（２、２’、２’’、２’’’）の透過液管（８）に接続される中空導管（４４）を含む。図３Ａ、３Ｂ及び３Ｄの実施形態において、単一の透過液ポート（５８）が提供されるが、図３Ｃでは、透過液ポート（５８）が、容器（５２）の両端部（６０、６２）に提供される。

圧力容器（５２）におけるポートは、生物反応器（３８）に特有であってもよい。図３Ｃ及び３Ｄでは、容器（５２）は、２つの対向する端部プレート（８０、８０’）、供給液ポート（５４）、濃縮液ポート（５６）、及び少なくとも１つの透過液ポート（５８）を備える。しかしながら、生物反応器装置に最も近い端部プレート（８０）は、生物反応器（３８）に接続される追加的流体ポートを備えてもよい。図３Ｄでは、濾過アセンブリは、生物反応器を通って延びる中空導管（４４）を含む。導管（４４）は、生物反応器における該流動チャネル（４３）を容器後端キャップ上のポート（供給液、濃縮液、及び透過液ポートに加えて）に接続する。この配置で、図３Ｄは、生物反応器の流動チャネル（４３）と連通する容器上の２つの別々のポートをさらに示す。これは、生物反応器の流動チャネル（４３）を通る、容器へ、及び容器から出る流体の流れのための潜在的連続経路を形成し、該経路は、渦巻き状膜モジュールを通過しない。

生物反応器は、動作モードと清掃モードとの間で交代してもよい。動作モードでは、供給液ポートからの流体は、生物反応器の入口からそこに入り、その出口から生物反応器を出る。好ましくは、流体は、生物反応器内で１０秒（１〜１０秒）未満の平均滞留時間を有し、より好ましくは、平均滞留は、生物反応器内で５秒未満である。好ましくは、生物反応器装置に入る液体の平均速度は、隣接する渦巻き状膜モジュールを通って移動する液体の平均速度未満である。

清掃モードでは、清掃流体は、流動チャネル（４３）に隣接する生物成長表面（５０、５０’）に接触する。図４は、容器内の生物反応器を清掃するための異なる方法を解説する。図４Ａでは、清掃流体は、供給の流れのための一般的に使用される方向でモジュール全体を通って提供される。図４Ｂでは、清掃流体は、生物反応器における汚染物質が、渦巻き状膜モジュールを通って流し出されるように、反対の方向で容器を通って流し出される。濾過アセンブリは、生物反応器（３８）を通って延びる中空導管（４４）の内部が、生物反応器の入口（４６）または出口（４８）のいずれかと流体連通するように、代替として構成されてもよい。実施形態の図４Ｃ及び４Ｄで解説される通り、この構成の一利点は、清掃流体が、渦巻き状膜モジュール（２、２’、２’’、２’’’）を実質的に通過することではなく、生物反応器（３８）を通過することを可能にすることができる点である。これらの実施形態において、下流渦巻き状モジュールを通る流量は、減少し、最終的に、容器からの濃縮の流れに対して提供される相対抵抗によって決まる。これは、さもなければ、渦巻き状モジュールの膜を分解する可能性のある清掃剤の使用を可能にする。例えば、生物反応器装置の清掃のために使用される清掃流体は、ｐＨ１未満の溶液、ｐＨ１３より大きい溶液、６０℃より高い溶液、または酸化剤を含有する溶液から選択されてもよい。好ましい過程では、生物反応器は、清掃モード中に、動作モード中より低い平均圧力で動作される。これは、より高い温度がより容易に到達することを可能にし、それはまた、清掃流体のいかなる漏出からの潜在的な危険を制限する。

好ましい実施形態において、生物反応器にわたる圧力差は、動作モードで測定され、動作モードから清掃モードへの切り替えは、測定された圧力差によって生じる。図３Ｄは、どのように生物反応器を通る中空導管（４４）が圧力測定装置（８２）に接続されることができ、その出口での圧力の測定を可能にするかを解説する。清掃の目的で前述される中空導管（４４）は、また、容器の外側の圧力センサーを使用して生物反応器とＲＯとの間の圧力を測定するためにも十分である。好ましい実施形態において、生物反応器装置は、清掃モード後、１０ｐｓｉ未満（より好ましくは、５ｐｓｉ未満）の圧力降下を有する。一実施形態において、清掃モードは、生物反応器の圧力降下が１０ｐｓｉを超えた後、またはより好ましくは、それが、２０ｐｓｉを超えた後に開始する。

生物反応器内の特定の生物成長集団は、特に、清掃モードから動作モードに移行した後、促進されてもよい。清掃後、生物反応器は、接種（例えば、特定の一連の細菌で）されてもよい。接種材料は、生物反応器から事前に抽出された溶液から由来してもよい。栄養物もまた、動作モードの少なくとも一部の間に投与されてもよい。

本発明の多くの実施形態が記載され、いくつかの場合、ある実施形態、選択、範囲、構成物質、または他の特性は、「好ましい」と特徴付けられている。「好ましい」特性のそのような指定は、本発明の本質的または重大な側面として解釈されることは決してない。前述の特許及び特許出願のそれぞれの内容全体が、参照することによって本明細書に組み込まれる。

渦巻き状濾過アセンブリは、多種多様な流体分離において使用される。従来の実施形態において、１つ以上の渦巻き状膜モジュール（「要素」）が、圧力容器内で直列に配置され、相互接続される。動作中、加圧された供給流体が、容器へ導入され、連続して個々のモジュールを通過し、濃縮液及び透過液の少なくとも２つの流れで容器から出る。渦巻き状膜アセンブリの性能は、しばしば、付着によって時間と共に劣化する。付着は、モジュール内の様々な表面上での残渣の形成を含む。より一般的な種類の付着は、スケーリング、コロイドまたは粒子堆積、有機付着（有機化合物の吸着）及び生物付着（モジュール内の様々な表面上での生物膜の成長）を含む。生物付着は、典型的に、渦巻き状アセンブリから上流の供給水に酸化剤（例えば、漂白剤）、殺生物剤または制生剤を導入することによって対処される。供給水は、また、さもなければ渦巻き状アセンブリ内での生物付着の一因となるであろう栄養物を低減させるために、生物反応器で前処理されてもよい。例は、米国特許出願公開第２０１２／０１９３２８７号、米国特許第７，０４５，０６３号、欧州特許第１２７２４３号、及びＨ．Ｃ．Ｆｌｅｍｍｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，１１３（１９９７）２１５−２２５、Ｈ．Ｂｒｏｕｗｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．１１，ｉｓｓｕｅｓ １−３（２００６）１５−１７に記載される。これらの例のそれぞれでは、供給水は、渦巻き状アセンブリから上流の位置において生物反応器で前処理される。追加の参照文献としては、米国特許出願公開第２００２／０７４２７７号、米国特許出願公開第２０１２／２９８５７８号、日本特開第２００１／２３９１３６号、独国特許第３４１３５５１号、独国特許出願公開第１０２０１２０１１８１６号、及び英国特許第１５０９７１２号が挙げられる。

Claims (8)

1. ｉ）供給液ポート、濃縮液ポート、及び透過液ポートを備える圧力容器と、
   ｉｉ）前記透過液ポートへの透過液通路を形成する透過液管の周囲に巻き付けられた少なくとも１つの膜エンベロープを備える少なくとも１つの渦巻き状膜モジュールと、
   ｉｉｉ）第１の端部から第２の端部へ軸（Ｙ）に沿って延びる円筒形の外周、前記第１の端部付近に位置する入口、及び前記第２の端部付近に位置する出口を有する生物反応器と、を備える渦巻き状濾過アセンブリであって、
   前記渦巻き状膜モジュール及び生物反応器は、前記圧力容器内に直列に配置される、前記渦巻き状濾過アセンブリ。
2. 前記生物反応器は、２つの対向する生物成長表面を有する平面シートと、軸の周囲に渦状に巻き付けられた供給液スペーサーと、を備える渦巻き状の構成を有し、前記供給液スペーサーは、前記生物反応器の前記入口から前記出口へ前記平面シートの前記生物成長表面に沿って延びる流動チャネルを画定する、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記平面シートは、透過性であり、前記２つの対向する生物成長表面は、互いに流体連通している、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記平面シート及び供給液スペーサーは、中空導管の周囲に渦状に巻き付けられており、前記導管は、前記平面シート及び供給液スペーサーとの流体連通から密封され、前記渦巻き状膜モジュールの前記透過液管に直列に接続される、請求項２に記載のアセンブリ。
5. 透過液管の周囲に巻き付けられた少なくとも１つの膜エンベロープをそれぞれ備える複数の渦巻き状膜モジュールをさらに備え、
   前記渦巻き状膜モジュールは、前記圧力容器内に直列に、前記直列のうちの最初の要素が前記圧力容器の第１の端部の最も近くに位置付けられ、前記直列のうちの最後の要素が前記圧力容器の対向する第２の端部に隣接して位置付けられた状態で配置され、前記渦巻き状要素の前記透過液管は、前記透過液出口に接続される透過液通路を形成するように直列に接続され、
   前記生物反応器は、前記直列内の少なくとも１つの渦巻き状膜モジュールの上流の位置に配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記生物反応器は、前記直列内のすべての渦巻き状膜モジュールの上流の位置に配置される、請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記生物反応器の前記供給液スペーサーは、前記平面シートの隣接する生物成長表面の間に０．１０ｍｍ〜１．５ｍｍの流動チャネルを提供する、請求項２に記載のアセンブリ。
8. 前記流動チャネルは、固体によって塞がれない空隙容積を生物成長表面の間に有し、前記流動チャネルの前記空隙容積は、前記生物反応器の容積の少なくとも６５％である、請求項２に記載のアセンブリ。

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