JP2019022867A - 濾過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる濾過装置を提供する。【解決手段】本発明に係る濾過装置は、濾過対象物を含む流体が流れる流路を有する管状部材と、濾過対象物を濾過する金属製多孔膜を有する濾過フィルタとを備える濾過装置であって、管状部材の側壁の一部には、濾過対象物が濾過された流体である濾液を排出するための濾液排出口が設けられ、濾液排出口の周囲には、流路を縮小するように流路内へ突出する凸部が設けられ、金属製多孔膜は、凸部内に配置されるとともに流体の流れ方向に沿うように配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、流体に含まれる濾過対象物を濾過する濾過装置に関する。

従来、この種の濾過装置として、クロスフロー方式の濾過装置が知られている（例えば、特許文献１：特開２０１３−２１０２３９号公報参照）。クロスフロー方式の濾過装置は、濾過対象物を含む流体を中空糸膜等の濾過フィルタの表面に沿うように流し、当該濾過フィルタを通過することにより濾過対象物が取り除かれた流体（以下、濾液という）を収集する装置である。

この濾過装置によれば、濾過対象物を含む流体を濾過フィルタの表面に沿うように流すので、濾過フィルタの表面で捕捉された濾過対象物が流体の流れによって捕捉が解かれる。これにより、濾過フィルタの目詰まりを抑えて、濾液の収集をより長時間連続的に行うことを可能にし、濾過効率を向上させることができる。

特開２０１３−２１０２３９号公報

しかしながら、特許文献１の濾過装置では、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させるという観点において、未だ改善の余地がある。

従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる濾過装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の一態様に係る濾過装置は、濾過対象物を含む流体が流れる流路を有する管状部材と、
前記濾過対象物を濾過する金属製多孔膜を有する濾過フィルタと、
を備える濾過装置であって、
前記管状部材の側壁の一部には、前記濾過対象物が濾過された流体である濾液を排出するための濾液排出口が設けられ、
前記濾液排出口の周囲には、前記流路を縮小するように前記流路内へ突出する凸部が設けられ、
前記金属製多孔膜は、前記凸部内に配置されるとともに、前記流体の流れ方向に沿うように配置されている、
ことを特徴とする。

本発明に係る濾過装置によれば、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる。

本発明の実施形態に係る濾過装置を用いて濾過対象物を濾過する様子を示す概略図である。 図１の濾過装置の概略断面図である。 金属製多孔膜の一部の拡大斜視図である。 図１の濾過装置の変形例を示す概略断面図である。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させるため、鋭意検討した結果、以下の新規な知見を得た。

本発明者らは、管状部材の流路を縮小するように突出する凸部を設けることによって、流路を流れる流体が凸部に接触して凸部の近傍の流体の流れが乱され、管状部材の管軸の延在方向と交差する方向に速度成分を有する流れ（乱流）が生じることを知見した。また、本発明者らは、凸部によって流路が縮小されることで、当該縮小された流路内の圧力が増加し、当該流路を流れる流体の流速が速くなることを知見した。更に、本発明者らは、流れが乱され且つ流速が速くなった流体により、濾過フィルタ上の濾過対象物の捕捉がより一層解かれやすくなることを見出した。これらの点を踏まえて、本発明者らは、以下の発明に至った。

本発明の一態様に係る濾過装置は、濾過対象物を含む流体が流れる流路を有する管状部材と、
前記濾過対象物を濾過する金属製多孔膜を有する濾過フィルタと、
を備える濾過装置であって、
前記管状部材の側壁の一部には、前記濾過対象物が濾過された流体である濾液を排出するための濾液排出口が設けられ、
前記濾液排出口の周囲には、前記流路を縮小するように前記流路内へ突出する凸部が設けられ、
前記金属製多孔膜は、前記凸部内に配置されるとともに、前記流体の流れ方向に沿うように配置されている、
濾過装置を提供する。

この構成によれば、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる。

なお、前記凸部は、前記管状部材の側壁の一部を、当該一部に対向する側壁に向けて突出させることにより形成されてもよい。

また、前記濾過フィルタは、前記金属製多孔膜の外周部を保持する枠部材を有し、
前記枠部材は、前記管状部材の側壁の一部に取り付けられ、
前記凸部は、前記枠部材により形成されてもよい。

また、前記管状部材は、前記凸部を除いて内径が一様な管状部材であってもよい。

また、前記凸部の突出量は、前記濾過対象物の大きさの１倍以上であることが好ましい。

この構成によれば、流体の流れを乱すとともに流体の流速を速めることができる。これにより、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる。

また、前記金属製多孔膜と、当該金属製多孔膜に対向する前記管状部材の側壁との距離は、前記濾過対象物の大きさの１倍より大きいことが好ましい。

この構成によれば、濾過対象物が、金属製多孔膜と管状部材の側壁との間を通過することができる。これにより、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る濾過装置を用いて濾過対象物を濾過する様子を示す概略図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る濾過装置１は、クロスフロー方式の濾過装置である。濾過装置１は、濾過対象物１１を含む流体１２を流体導入口１ａより導入し、流体排出口１ｂより排出するように構成されている。また、濾過装置１は、流体導入口１ａから流体排出口１ｂへ流れる流体１２の一部を濾過し、当該濾過により濾過対象物１１が取り除かれた流体（以下、濾液という）１３を濾液排出口１ｃより排出するように構成されている。

濾過対象物１１を含む流体１２は、流体タンク２内に入れられている。流体タンク２内の流体１２は、配管２１を通じてポンプ３内に取り込まれ、当該ポンプ３によって配管２２を通じて濾過装置１の流体導入口１ａへ供給される。濾過装置１の内部を通過して流体排出口１ｂより排出された流体１２は、配管２３を通じて流体タンク２内に戻される。このようにして、流体１２は、ポンプ３が駆動する間、流体タンク２、配管２１、ポンプ３、配管２２、濾過装置１、配管２３の順に循環する。

一方、濾過装置１の内部に供給された流体１２の一部は、濾過されて濾液１３として濾液排出口１ｃより排出される。濾液排出口１ｃより排出された濾液１３は、配管２４を通じて濾液タンク４内に入れられる。

なお、図１の他の形態として、ポンプ３を配管２１と配管２２の間ではなく、配管２３の経路内に配置してもよい。あるいは、流体タンク２や濾液タンク４を密閉容器として、閉鎖系の濾過装置を実現してもよい。

次に、濾過装置１の構成について説明する。図２は、濾過装置１の概略断面図である。

図２に示すように、濾過装置１は、濾過対象物１１を含む流体１２が流れる流路３１ａを有する管状部材３１と、濾過対象物１１を濾過する濾過フィルタ３２とを備えている。

管状部材３１は、例えば、円筒状の部材である。管状部材３１の側壁の一部に、濾液排出口１ｃが設けられている。濾液排出口１ｃの周囲には、流路３１ａを縮小するように流路３１ａ内へ突出する凸部５が設けられている。本実施の形態において、凸部５は、管状部材３１の側壁の一部を、当該一部に対向する側壁に向けて突出させることにより形成されている。また、凸部５は、例えば、濾液排出口１ｃの面に対して環状に形成されている。当該凸部５により管状部材３１の側壁に段差が形成されている。この段差により、凸部５の近傍の流体１２の流れが乱され、管軸Ａ１の延在方向と交差する方向に速度成分を有する流れ（乱流）が生じる。本実施の形態において、管状部材３１は、凸部５の近傍以外は乱流が生じ難いように、凸部５を除いて内径が一様な管状部材で構成されている。

なお、管状部材３１の他の形態として、方形や楕円形など任意の断面形状であってもよい。また、管状部材３１の材料としては、例えば、ステンレス鋼、シリコン樹脂、ＰＶＤＦ（テフロン：登録商標）、塩化ビニル、ガラス、ブタジエン非含有樹脂、などが挙げられる。さらに、これらの材料に濾過対象物が付着しにくい様にコーティング材を塗布してもよい。

凸部５には、配管２４が流体連通している。凸部５内には、配管２４へ流れる流体１２を濾過するように濾過フィルタ３２が配置されている。濾過フィルタ３２は、濾過対象物１１を濾過する金属製多孔膜３２ａと、金属製多孔膜３２ａの外周部を保持する枠体３２ｂとを有している。

金属製多孔膜３２ａは、凸部５内に配置されるとともに、流体１２の流れ方向に沿うように配置されている。本実施の形態において、流体１２の流れ方向は、管軸Ａ１の延在方向と平行である。金属製多孔膜３２ａは、管軸Ａ１の延在方向と平行に配置されている。

本実施の形態において、濾過対象物１１は、液体に含まれる生物由来物質である。本明細書において、「生物由来物質」とは、細胞（真核生物）、細菌（真性細菌）、ウィルス等の生物に由来する物質を意味する。細胞（真核生物）としては、例えば、卵、精子、人工多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）、ＥＳ細胞、幹細胞、間葉系幹細胞、単核球細胞、単細胞、細胞塊、浮遊性細胞、接着性細胞、神経細胞、白血球、リンパ球、再生医療用細胞、自己細胞、がん細胞、血中循環がん細胞（ＣＴＣ）、ＨＬ−６０、ＨＥＬＡ、菌類を含む。細菌（真性細菌）としては、例えば、グラム陽性菌、グラム陰性菌、大腸菌、結核菌を含む。ウィルスとしては、例えば、ＤＮＡウィルス、ＲＮＡウィルス、ロタウィルス、（鳥）インフルエンザウィルス、黄熱病ウィルス、デング熱病ウィルス、脳炎ウィルス、出血熱ウィルス、免疫不全ウィルスを含む。

また、本実施の形態において、金属製多孔膜３２ａは、生物由来物質を分離する多孔膜である。図３は、金属製多孔膜３２ａの一部の拡大斜視図である。

図３に示すように、金属製多孔膜３２ａは、互いに対向する第１主面３２ｃと第２主面３２ｄとを有している。また、金属製多孔膜３２ａには、第１主面３２ｃと第２主面３２ｄとを貫通する複数の貫通孔３２ｅが設けられている。貫通孔３２ｅは、液体から生物由来物質を分離するものである。貫通孔３２ｅの形状及び寸法は、生物由来物質の形状、大きさに応じて適宜設定されるものである。貫通孔３２ｅは、例えば、等間隔又は周期的に配置される。貫通孔３２ｅの形状は、例えば、金属製多孔膜３２ａの第１主面３２ｃ又は第２主面３２ｄ側から見て正方形である。貫通孔３２ｅのサイズは、例えば、縦０．１μｍ以上５０μｍ以下、横０．１μｍ以上５０μｍ以下である。貫通孔３２ｅ間の間隔は、例えば、貫通孔３２ｅの１倍よりも大きく１０倍以下であり、より好ましくは３倍以下である。また、金属製多孔膜３２ａにおける貫通孔３２ｅの開口率は、例えば、１０％以上である。

金属製多孔膜３２ａの材料としては、例えば、金、銀、銅、ニッケル、ステンレス鋼、パラジウム、チタン、及びこれらの合金が挙げられる。金属製多孔膜３２ａの寸法は、例えば、直径８ｍｍ、厚さ０．０５μｍ以上１００μｍ以下である。金属製多孔膜３２ａの外形は、例えば、円形、楕円形、又は多角形のいずれかである。本実施の形態においては、金属製多孔膜３２ａの外形は、円形とする。

枠体３２ｂは、環状（例えば、円環状）に形成されている。枠体３２ｂの材料としては、例えば、ジュラルミン、アルミニウムなどの金属や、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリエーテルイミドなどの樹脂が挙げられる。枠体３２ｂの幅は、例えば、０．９ｍｍである。枠体３２ｂの厚さは、例えば、２０μｍである。

本実施の形態に係る濾過装置１によれば、金属製多孔膜３２ａが、流路３１ａを縮小するように突出する凸部５内に配置されるとともに、流体１２の流れ方向に沿うように配置されている。この構成によれば、凸部５により流体１２の流れを乱すとともに流体１２の流速を速めることができる。これにより、濾過フィルタ３２の目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる。

なお、凸部５の突出量は、濾過対象物１１の大きさの１倍以上であることが好ましい。この構成によれば、流体１２の流れを乱すとともに流体１２の流速を速めることができる。これにより、濾過フィルタ３２の目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる。また、凸部５によって流路３１ａ内に生じた段差で、濾過対象物１１を捕捉できる効果も生じる。

また、金属製多孔膜３２ａと、当該金属製多孔膜３２ａに対向する管状部材３１の側壁との距離は、濾過対象物１１の大きさの１倍より大きいことが好ましい。この構成によれば、濾過対象物１１が、金属製多孔膜３２ａと管状部材３１の側壁との間を通過することができる。これにより、濾過フィルタ３２の目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができる。

（実施例）
次に、本発明の実施例に係る濾過装置を用いて流体から濾過対象物を濾過した結果について説明する。

ここでは、流体１２として、細胞ＨＬ６０を含むＰＢＳ溶液（リン酸緩衝生理食塩水）を用い、濾過フィルタ３２により当該ＰＢＳ溶液から液体成分を濾過するとともに細胞ＨＬ６０を捕捉するようにした。ＰＢＳ溶液は直径約９μｍの概球形を有する１×１０^５個の細胞ＨＬ６０を含み、ＰＢＳ溶液の総量は５０ｍｌとした。

また、金属製多孔膜３２ａとして、外形が円形、厚みが１．０μｍ、直径が７．８ｍｍ、中心から直径６ｍｍの範囲にメッシュ構造を有するニッケル製のメッシュ膜を用いた。メッシュ構造は、一辺が２．５μｍの正方形の貫通孔を３．６μｍピッチで配置した正方格子配列とした。また、金属製多孔膜３２ａは、流路３１ａ側の主面が管状部材３１の側壁から流路３１ａ内へ１．５ｍｍ離れて位置するように配置した。また、管状部材３１として、内径２ｍｍのチューブを用いた。

この管状部材３１内の流路３１ａに、毎分２４０ｍｌの流速で前記ＰＢＳ溶液が流れるように、ポンプ３を約３０分間駆動させた。その後、濾過フィルタ３２を通過した液体の液量（濾液）を測定したところ、当該液量は４０ｍｌであった。

一方、金属製多孔膜３２ａの流路３１ａ側の主面が管状部材３１の側壁に沿うように濾過フィルタ３２を配置し、前記と同様に流路３１ａ内に前記ＰＢＳ溶液を流したところ、濾液の液量は２２ｍｌであった。また、ポンプ３の駆動による濾過動作の後半では、ほとんど濾液が得られなかった。また、顕微鏡で金属製多孔膜３２ａを観察したところ、金属製多孔膜３２ａ上に多数の細胞ＨＬ６０が捕捉されていることを確認した。すなわち、金属製多孔膜３２ａに目詰まりが発生していることを確認した。

以上により、本発明の実施例に係る濾過装置によれば、濾過フィルタ３２の目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができることが確認された。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、凸部５は、管状部材３１の側壁の一部を、当該一部に対向する側壁に向けて突出させることにより形成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、管状部材３１に貫通穴を設け、当該貫通穴の内側周囲に枠体３２ｂを取り付け、当該枠体３２ｂにより凸部５を形成するようにしてもよい。すなわち、管状部材３１の側壁の一部に枠体３２ｂを取り付け、当該枠体３２ｂの厚みにより凸部５を形成するようにしてもよい。この場合でも、金属製多孔膜３２ａを凸部５に配置するとともに流体１２の流れ方向に沿うように配置することができる。

また、前記では、流体１２が液体であるとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、流体１２は気体であり、濾過対象物１１は気体に含まれた微粒子であってもよい。微粒子とは、例えば、工業用粉体材料やＰＭ２．５などである。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明は、濾過フィルタの目詰まりをより一層抑えて、濾過効率をより一層向上させることができるので、特に、濾過対象物の濃度が高い流体を濾過する濾過装置に有用である。

１ 濾過装置
１ａ 流体導入口
１ｂ 流体排出口
１ｃ 濾液排出口
２ 流体タンク
３ ポンプ
４ 濾液タンク
５ 凸部
１１ 濾過対象物
１２ 流体
１３ 濾液
２１〜２４ 配管
３１ 管状部材
３１ａ 流路
３２ 濾過フィルタ
３２ａ 金属製多孔膜
３２ｂ 枠体
３２ｃ 第１主面
３２ｄ 第２主面
３２ｅ 貫通孔

Claims (6)

1. 濾過対象物を含む流体が流れる流路を有する管状部材と、
   前記濾過対象物を濾過する金属製多孔膜を有する濾過フィルタと、
   を備える濾過装置であって、
   前記管状部材の側壁の一部には、前記濾過対象物が濾過された流体である濾液を排出するための濾液排出口が設けられ、
   前記濾液排出口の周囲には、前記流路を縮小するように前記流路内へ突出する凸部が設けられ、
   前記金属製多孔膜は、前記凸部内に配置されるとともに、前記流体の流れ方向に沿うように配置されている、
   濾過装置。
2. 前記凸部は、前記管状部材の側壁の一部を、当該一部に対向する側壁に向けて突出させることにより形成されている、請求項１に記載の濾過装置。
3. 前記濾過フィルタは、前記金属製多孔膜の外周部を保持する枠部材を有し、
   前記枠部材は、前記管状部材の側壁の一部に取り付けられ、
   前記凸部は、前記枠部材により形成されている、請求項１に記載の濾過装置。
4. 前記管状部材は、前記凸部を除いて内径が一様な管状部材である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の濾過装置。
5. 前記凸部の突出量は、前記濾過対象物の大きさの１倍以上である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の濾過装置。
6. 前記金属製多孔膜と、当該金属製多孔膜に対向する前記管状部材の側壁との距離は、前記濾過対象物の大きさの１倍より大きい、請求項１〜５のいずれか１つに記載の濾過装置。

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