JP2020196007A - 原料液の濃縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脆弱な有価成分を分解・変質させずに濃縮することが可能な、原料液への加熱、加圧、及びせん断応力を要さない、原料液の濃縮方法を提供すること。【解決手段】正浸透膜モジュール２０及び原料液タンク１０を用いて原料液Rの濃縮を行う原料液の濃縮方法であって、原料液Ｒは、溶媒及び溶質を含有し、原料液Ｒは、原料液タンク１０から正浸透膜モジュール２０に供給され、原料液Ｒの濃縮は、原料液Ｒと、ドロー溶液Ｄとを、正浸透膜２１を介して接触させ、原料液Ｒ中の溶媒をドロー溶液Ｄ中に移動させることにより行われ、かつ、原料液タンク１０から正浸透膜モジュール２０への原料液Ｒの供給が、原料液タンク１０中の原料液Ｒの液面ｈ１と正浸透膜モジュール２０中の正浸透膜２１の上端との間の液頭差ΔＨによって行われる、原料液の濃縮方法。【選択図】図１

Description

本発明は、正浸透膜を用いて行われる原料液の濃縮方法に関する。

正浸透膜を用いて行う液体の分離は、低エネルギー消費型の新しい膜分離方法として、近年研究が盛んである（非特許文献１）。
正浸透膜は、溶液中の溶媒は通過させるが溶質は通過させない半透性を有する。したがって、希薄溶液と濃厚溶液（ドロー溶液）とを正浸透膜を介して接触させると、溶液中の溶媒は、希薄溶液から濃厚溶液へと移動する。この溶媒の移動は、両溶液の浸透圧差を駆動力とし、原料液の加圧、送液ポンプの使用等のエネルギー消費を必ずしも必要としない。

正浸透膜を用いて行う液体の分離は、原料液の加熱、加圧を要さない膜分離方法としても期待されている（非特許文献２）。
医薬産業、食品産業等では、加熱、加圧等のストレスによって分解、変質等を来たし易い、脆弱な有価成分の濃縮・分離等を要する場合がある。そのため、加熱及び加圧を要さない液体の分離方法は、これらの産業に重要である。
例えば、非特許文献３には、インシュリン（Insulin）、ポリ−Ｌ−リシン（Poly-L-lysine）、β−ラクトグロブリン（β-lactoglobulin）等のポリペプチド系分子（生理活性機能を持つ有価物）の多くが、加圧に起因するシェアストレス（せん断応力ストレス）によって、立体構造変性（Ｕｎｆｏｌｄｉｎｇ）、分子凝集（Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ）、生理活性低下等を起こすことが、報告されている。

このような正浸透膜は、例えば、特許文献１に記載された方法によって製造することができる。

国際公開第２０１６／０２７８６９号

J. Membr. Sci., 281, 70-87 (2006) 第50回化学工学会秋季大会講演要旨（ＣＣ１１５）（２０１８） Biopolymers, 95 (11), 733-745 (2011)

医薬産業、食品産業等で使用される脆弱な有価成分の中には、加熱、及び加圧の他、せん断応力等のストレスによっても、分解・変質が懸念される物質も存在する。
このせん断応力ストレスは、典型的には、液体が送液ポンプ内を通過するときに印加されると考えられる。例えば、送液のために液体をポンプから押し出す駆動力を創出するための、配管チューブをローラーでしごく、狭い流路中の液体を回転羽で押し出す、といった物理力の印加が、せん断応力ストレスとなる。
脆弱な有価成分中には、このようなせん断応力ストレスで分解・変質が懸念されるものもある。

本発明は、上記のような脆弱な有価成分を分解・変質させずに濃縮することが可能な、原料液への加熱、加圧、及びせん断応力を要さない、原料液の濃縮方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成する本発明は、以下のとおりである。

《態様１》正浸透膜モジュール及び原料液タンクを用いて原料液の濃縮を行う原料液の濃縮方法であって、
上記原料液は、溶媒及び溶質を含有し、
上記原料液は、上記原料液タンクから上記正浸透膜モジュールに供給され、
上記原料液の濃縮は、上記原料液と、ドロー溶液とを、正浸透膜を介して接触させ、上記原料液中の溶媒を上記ドロー溶液中に移動させることにより行われ、かつ、
上記原料液タンクから上記正浸透膜モジュールへの原料液の供給が、上記原料液タンク中の原料液液面と上記正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われる、
原料液の濃縮方法。
《態様２》上記正浸透膜モジュールが、複数の中空糸状正浸透膜から構成される中空糸糸束を有する、中空糸状正浸透膜モジュールである、態様１に記載の方法。
《態様３》上記原料液が、上記中空糸状正浸透膜のコア側に供給される、態様２に記載の方法。
《態様４》上記中空糸状正浸透膜が、中空糸支持膜の内表面に分離活性物質層を有する、態様３に記載の方法。
《態様５》上記中空糸状正浸透膜の内径が、０．５ｍｍ以上である、態様３又は４に記載の方法。
《態様６》上記原料液タンクから上記正浸透膜モジュールへの上記原料液の供給に、送液ポンプを使用しない、態様１〜５のいずれか一項に記載の方法。
《態様７》上記原料液の濃縮が、上記原料液が上記正浸透膜モジュール内に保持された状態で行われる、態様１〜６のいずれか一項に記載の方法。
《態様８》上記正浸透膜モジュール内に保持された上記原料液中の溶媒が、上記ドロー溶液中に移動して、上記原料液の体積が減少したときに、上記原料液タンクから上記正浸透膜モジュールに、減少体積相当分の原料液を追加する、態様７に記載の方法。
《態様９》上記原料液タンクから上記正浸透膜モジュールへの減少体積相当分の原料液の追加が、上記原料液タンク中の原料液液面と上記正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われる、態様８に記載の方法。
《態様１０》上記原料液タンクから上記正浸透膜モジュールへの上記原料液を追加するときに、送液ポンプを使用しない、態様８又は９に記載の方法。
《態様１１》上記原料液が、所定の濃度の濃縮液となった後、上記正浸透膜モジュールから上記濃縮液を排出して回収する、態様７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
《態様１２》上記正浸透膜モジュールから上記濃縮液の排出が、上記濃縮液の自重によって行う、態様１１に記載の方法。
《態様１３》上記正浸透膜モジュールから上記濃縮液を排出するときに、送液ポンプを使用しない、態様１１又は１２に記載の方法。
《態様１４》正浸透膜モジュール及び原料液タンクを有する、原料液の濃縮を行うための原料液の濃縮装置であって、
上記原料液タンクから上記正浸透膜モジュールへの原料液の供給が、上記原料液タンク中の原料液液面と上記正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われるように構成されている、
原料液の濃縮装置。

本発明によると、原料液への加熱、加圧、及びせん断応力印加を要さない、原料液の濃縮方法が提供される。
本発明の方法は、例えば、医薬産業、食品産業等で使用される脆弱な有価成分を分離濃縮するために、好適に適用可能である。

本発明の原料液の濃縮方法を実施するために使用される、原料液の濃縮装置の構造の一例を示す概略図である。

《原料液の濃縮方法》
本発明の原料液の濃縮方法は、
正浸透膜モジュール及び原料液タンクを用いて原料液の濃縮を行う原料液の濃縮方法であって、
原料液は、溶媒及び溶質を含有し、
原料液は、原料液タンクから正浸透膜モジュールに供給され、
原料液の濃縮は、原料液と、ドロー溶液とを、正浸透膜を介して接触させ、原料液中の溶媒をドロー溶液中に移動させることにより行われ、かつ、
原料液タンクから正浸透膜モジュールへの原料液の供給が、原料液タンク中の原料液液面と正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われることを特徴とする。

〈原料液〉
原料液は、溶媒及び溶質を含有する。
溶媒は、水及び有機溶媒から選択されてよい。典型的には、水、又は水と水溶性有機溶媒との混合溶媒である。

溶質は、医薬産業、食品産業等に用いられる原料、中間製品、製品等であってよく、上記の溶媒の可溶な範囲で適宜に選択して用いてよい。溶質は、固体状であっても液体状であってもよく、混合物であってもよい。
溶質として、例えば、医薬品、医薬部外品、化粧品等、これらの原料、中間製品等であってよい。

医薬品は、標榜薬効によらず、如何なるものであってもよく、治療を目的としない医薬品を含む。例えば、神経系用医薬品、感覚器官用医薬品、個々の器官系用医薬品、代謝性医薬品、組織細胞機能用医薬品、生薬、漢方処方による医薬品、病原生物に対する医薬品、調剤用訳、診断用薬、麻薬等が挙げられる。

溶媒を含有した状態で、製品とされ、又は濃縮品として保存等されるものも、所定の濃度に至らない希薄品は、本発明における原料液として用いてよい。
このような原料液としては、例えば、食品等が挙げられる。
食品としては、例えば、コーヒー抽出液、ジュース（例えば、オレンジジュース、トマトジュース等）、アルコール飲料（エタノールを含む液体、例えば、ワイン、ビール等）、乳製品（例えば、乳酸菌飲料、生乳等）、出汁（例えば、昆布出汁、鰹出汁等）、茶抽出液、香料乳化物（例えば、バニラエッセンス、ストロベリーエッセンス等の乳化物）、蜜類（例えば、メープルシロップ、蜂蜜等）、食品油乳化物（例えば、オリーブオイル、菜種油、ひまわり油、紅花、コーン等の乳化物）等が挙げられる。

〈ドロー溶液〉
ドロー溶液は、溶媒及び誘導物質を含有する、典型的には濃厚な溶液である。
溶媒は、典型的には、原料液中の溶媒と同じ種類であってよい。
誘導物質は、ドロー溶液の浸透圧を発現するもとになる物質である。誘導物質としては、例えば無機塩、糖、アルコール、重合体等が挙げられる。
無機塩としては、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、チオ硫酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、炭酸アンモニウム等を；
糖としては、例えば、ショ糖，果糖，ブドウ糖等の一般的な糖類、及びオリゴ糖，希少糖等の特殊な糖類を；
アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール等のモノアルコール；エチレングルコール、プロピレングリコール等のグリコール等が、それぞれ挙げられる。
重合体としては、例えば、ポリエチレンオキシド，プロピレンオキシド等の重合体、及びこれらの共重合体等が挙げられる。

ドロー溶液における誘導物質の濃度は、ドロー溶液の浸透圧が原料液の浸透圧よりも高くなるように設定される。

〈正浸透膜〉
正浸透膜は、溶媒は透過させるが、溶質は透過させない、又は透過させ難い機能を有する膜である。
本発明の原料液の濃縮方法では、原料液への加熱、加圧、及びせん断応力の印加を行わず、正浸透によって原料液の濃縮を行う。したがって、正浸透膜としては、正浸透機能のできるだけ高い膜を使用することが、原料液の効率的な濃縮の観点から好ましい。

このような正浸透機能の高い膜として、支持層（支持膜）上に分離活性層を有する複合型の膜が挙げられる。
支持膜は、平膜であっても中空糸膜であってもよい。
平膜を支持膜とする場合、支持膜の片面又は両面に分離活性層を有するものであってよい。
中空糸膜を支持膜とする場合、中空糸膜の外表面若しくは内表面、又はこれらの双方の面上に分離活性層を有するものであってよい。

好ましい支持膜は、微細孔性中空糸支持膜である。
この微細孔中空糸支持膜は、その内表面に、孔径が好ましくは０．００１μｍ以上０．２μｍ以下、より好ましくは０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下の微細孔を有する。
微細孔中空糸支持膜を構成する素材としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース系高分子、ポリケトン等が挙げられる他、限外濾過膜、精密濾過膜等に用いられる素材を使用してもよい。
分離活性層としては、誘導物質の阻止率が高いことから、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、酢酸セルロース等から選ばれる少なくとも１種のポリマーを主成分とする薄膜層であることが好ましい。これらのポリマーは、架橋されていてもよいし、架橋されていなくてもよい。これらのポリマーが架橋されている場合、架橋の程度は任意であってよい。特に好ましくは、ポリアミドの層であり、非架橋ポリアミド及び架橋ポリアミドから選択される１種以上を用いてよい。

本発明に用いる正浸透膜としては、中空糸状の支持膜の内表面に分離活性物質層を有する、複合型の中空糸状正浸透膜であることが、原料液の濃縮効率、及び正浸透膜の寿命の点で、好ましい。

原料液に過度のせん断応力を与えず、また、正浸透膜内部の拡散による、濃縮濃度差の均一化が進行し易くするように、中空糸状正浸透膜の内径は、好ましくは０．５ｍｍ以上であり、より好ましくは０．７ｍｍ以上であり、更に好ましくは１．０ｍ以上であり、特に２．０ｍ以上が好ましい。一方で、正浸透膜の有効膜面積を向上し、濃縮装置を小型化する観点からは、中空糸状正浸透膜の内径は、好ましくは１０．０ｍｍ以下であり、より好ましくは５．０ｍｍ以下であり、更に好ましくは４．０ｍ以下であり、特に３．０ｍ以下が好ましい。

〈正浸透膜モジュール〉
本発明の原料液の濃縮方法において、正浸透膜はモジュール化された正浸透膜モジュールとして用いられる。
本発明における正浸透膜モジュールとしては、複数の中空糸状正浸透膜から構成される中空糸糸束を有する、中空糸状正浸透膜モジュールであることが好ましい。

正浸透膜モジュールの内部空間は、正浸透膜によって、原料液側の空間、及びドロー溶液側の空間の２つに分割されている。
正浸透膜モジュールが、複数の中空糸状正浸透膜から構成される中空糸糸束を有する、中空糸状正浸透膜モジュールである場合、中空糸状の正浸透膜によって、中空糸の内部空洞側（コア側）の空間と、中空糸の外側（シェル側）の空間とに分割されており、モジュール内部において、両空間は中空糸状の正浸透膜を介してのみ、流通することができる。

このような構造の中空糸状正浸透膜モジュールでは、例えば、中空糸状正浸透膜のコア側に原料液を供給し、中空糸状正浸透膜のシェル側にドロー溶液を供給することにより、原料液とドロー溶液とを、正浸透膜を介して接触させることができるから、原料液中の溶媒をドロー溶液中に移動させて、原料液の濃縮を行うことができる。
中空糸状正浸透膜モジュールは、中空糸状正浸透膜のコア側に連通するコア側導管と、中空糸状正浸透膜のシェル側に連通するシェル側導管とを有していてよい。

〈原料液タンク〉
原料液タンクは、濃縮前の原料液を収納し、正浸透膜モジュールに供給する機能を有する。
本発明においては、原料液タンクから正浸透膜モジュールへの原料液の供給が、原料液タンク中の原料液液面と正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われる。そのため、原料液タンクは、鉛直方向において、正浸透膜モジュールよりも相対的に高い位置に配置される。

〈濃縮装置〉
図１に、本発明の原料液の濃縮方法に用いられる濃縮装置の一例を示した。
図１の濃縮装置は、原料液タンク（１０）及び正浸透膜モジュール（２０）を有する。
正浸透膜モジュール（２０）は、ハウジング内に、複数の中空糸状正浸透膜（２１）から構成される中空糸糸束が収納され、ハウジング内は、中空糸状正浸透膜（２１）によって、該正浸透膜のコア側空間とシェル側空間とに分割されている。
正浸透膜モジュール（２０）のハウジングの形状は、例えば、円筒形状、多角柱状、穿頭多角計柱状等の任意の形状であってよい。

複数の中空糸状正浸透膜（２１）は、正浸透膜モジュール（２０）の上下のヘッダー（２６、２７）の内部で、接着剤固定部（２４、２５）によってモジュールに固定されている。ここで、中空糸状正浸透膜（２１）の端部は、接着剤によって閉塞されておらず、したがって中空糸状正浸透膜（２１）の内部空洞は、コア側下部導管（２８）及びコア側上部導管（２９）の内部空間と、それぞれ連通している。

また、中空糸状正浸透膜（２１）のシェル側の空間は、シェル側下部導管（２２）及びシェル側上部導管（２３）の内部空間と、それぞれ連通している。
これらのシェル側導管は、ドロー溶液（Ｄ）を流通させるために用いられることが予定されている。正浸透膜モジュール（２０）内で、ドロー溶液（Ｄ）が流通せずに滞留するデッドスペースをできるだけ小さくするために、コア側下部導管（２８）及びコア側上部導管（２９）は、それぞれ、ヘッダー（２６、２７）にできるだけ近い位置に配置されることが好ましく、コア側下部導管（２８）とコア側上部導管（２９）とは、正浸透膜モジュール（２０）の軸に垂直な面の径方向で、互いに略１８０°の位置に配置されることが好ましい。

原料液タンク（１０）は、原料液供給バルブ（Ｖ１）を介する配管によって、正浸透膜モジュール（２０）のコア側上部導管（２９）に連結されている。そして、原料液タンク（１０）は、鉛直方向において、正浸透膜モジュール（２０）よりも相対的に高い位置に配置されている。

〈原料液の供給〉
本発明の原料液の濃縮方法において、原料液タンクから正浸透膜モジュールへの原料液の供給は、原料液タンク（中の原料液液面と正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われる。
図１の濃縮装置では、原料液タンク（１０）に原料液（Ｒ）を収納し、原料液供給バルブ（Ｖ１）を開とすると、原料液タンク（１０）中の原料液液面（ｈ１）と正浸透膜モジュール（２０）中の原料液液面（ｈ２）との間の液頭差（ΔＨ）によって、原料液（Ｒ）は、原料液タンク（１０）から正浸透膜モジュール（２０）へと供給される。
ここで、中空糸状正浸透膜（２１）が、中空糸支持膜の内表面に分離活性物質層を有するものであるとき、図１に示したように、原料液（Ｒ）は中空糸状正浸透膜（２１）のコア側に供給されることが好ましい。

原料液（Ｒ）供給の際、原料液タンク（１０）から正浸透膜モジュール（２０）までの配管内、及び正浸透膜モジュール（２０）のコア側空間内の空気を排出する目的で、濃縮液排出バルブ（Ｖ２）を適宜開閉してもよい。このとき、正浸透膜モジュール（２０）のコア側空間が原料液（Ｒ）で満たされたときに、濃縮液排出バルブ（Ｖ２）が閉となるように操作を行う。
以上の操作により、正浸透膜モジュール（２０）のコア側空間が原料液（Ｒ）で満たされ、かつ、原料液タンク（１０）と正浸透膜モジュール（２０）のコア側空間とが、原料液供給バルブ（Ｖ１）を含む配管及びコア側上部導管（２９）を介して、原料液（Ｒ）によって連通した状態を創出することができる。

本発明では、原料液に不要のせん断応力ストレスをかけないで、原料液の濃縮を行うことを目的とする。したがって、原料液タンク（１０）から正浸透膜モジュール（２０）への原料液（Ｒ）の供給には、送液ポンプを使用しないことが好ましい。

〈ドロー溶液の供給〉
ドロー溶液（Ｄ）は、例えば、シェル側下部導管（２２）から導入してシェル側上部導管（２３）から排出することにより、ドロー溶液（Ｄ）が中空糸状正浸透膜（２１）のシェル側の空間に流通する。これにより、原料液（Ｒ）と、ドロー溶液（Ｄ）とを、正浸透膜（２１）を介して接触させることができ、原料液（Ｒ）中の溶媒がドロー溶液（Ｄ）中に移動して、原料液（Ｒ）の濃縮が行われる。
ドロー溶液（Ｄ）は、正浸透膜モジュール（２０）のシェル側上部導管（２３）から導入してシェル側下部導管（２２）から排出してもよい。

本発明の原料液の濃縮方法では、正浸透膜モジュール（２０）中で、鉛直下側の原料液の方が、鉛直上側の原料液よりも、濃縮の程度が高い傾向にある。正浸透膜モジュール（２０）内部の原料液（Ｒ）に対して、できるだけ均一な濃縮を行う観点から、ドロー溶液（Ｄ）の濃度は、正浸透膜モジュール（２０）のうちの鉛直下側でより濃厚であることが好ましい。したがって、ドロー溶液（Ｄ）は、シェル側下部導管（２２）から導入してシェル側上部導管（２３）から排出することが好ましい。

本発明の原料液の濃縮方法において、ドロー溶液（Ｄ）を流通させる態様は、原料液（Ｒ）へのせん断応力ストレスとは関係がないから、ドロー溶液（Ｄ）の流通には、送液ポンプを用いてよい。

〈原料液の濃縮〉
上記により、原料液（Ｒ）の濃縮が行われる。
原料液（Ｒ）の濃縮は、原料液（Ｒ）を正浸透膜モジュール（２０）内（コア側空間内）に保持した状態で行われてよい。

原料液（Ｒ）の濃縮は、原料液（Ｒ）中の溶媒がドロー溶液（Ｄ）中に移動することにより行われる。したがって、原料液（Ｒ）の濃縮の進行に伴って、正浸透膜モジュール（２０）内の原料液（Ｒ）の体積は減少する。このとき、原料液供給バルブ（Ｖ１）の開状態を維持しておくと、原料液タンク（１０）から正浸透膜モジュール（２０）に、減少体積相当分の原料液（Ｒ）が追加される。この原料液（Ｒ）の追加は、原料液タンク中の原料液液面と正浸透膜モジュール中の原料液（Ｒ）の液面（ｈ２）との間の液頭差（ΔＨ）によって行われてよい。
このとき、原料液（Ｒ）に不要のせん断応力ストレスをかけないとの観点から、原料液タンク（１０）から正浸透膜モジュール（２０）への原料液（Ｒ）の追加には、送液ポンプを使用しないことが好ましい。

〈ドロー溶液の再利用〉
上述したとおり、原料液（Ｒ）の濃縮は、原料液（Ｒ）中の溶媒がドロー溶液（Ｄ）中に移動することにより行われる。したがって、正浸透膜モジュール（２０）から排出されるドロー溶液（Ｄ）は、誘導物質の濃度が所定値よりも小さく（薄く）なっており、浸透圧が小さくなっている。これをそのまま本発明におけるドロー溶液（Ｄ）として再利用すると、原料液（Ｒ）の濃縮効率が減ずることとなる。

しかしながら、正浸透膜モジュール（２０）から排出されたドロー溶液（Ｄ）から、抱き込んだ溶媒を除去し、又は排出されたドロー溶液（Ｄ）に誘導物質を追加して、ドロー溶液（Ｄ）中の誘導物質の濃度を所定値に調整したうえで、本発明におけるドロー溶液（Ｄ）として再利用することにより、原料液（Ｒ）の濃縮効率を維持することが可能である。

〈濃縮液の回収〉
上述したとおり、原料液（Ｒ）の濃縮の進行に伴って、正浸透膜モジュール（２０）内の原料液（Ｒ）の体積は減少する。この原料液（Ｒ）の体積の減少分は、原料液供給バルブ（Ｖ１）の開状態が維持されていれば、原料液タンク（１０）から随時補充される。したがって、原料液（Ｒ）の濃縮の程度は、原料液タンク（１０）中の原料液（Ｒ）の減少量から見積もることができる。
具体的には、正浸透膜モジュール（２０）のコア側内容積をＡ（ｍ^３）とし、原料液タンク（１０）中の原料液（Ｒ）の減少量をＢ（ｍ^３）とすると、減少量補充後の正浸透膜モジュール（２０）内の原料液（Ｒ）の平均濃縮倍率は、｛（Ａ＋Ｂ）／Ａ｝（倍）と計算できる。

正浸透膜モジュール（２０）内の原料液（Ｒ）の平均濃縮倍率が所定値となり、したがって、正浸透膜モジュール（２０）内が所望の濃縮液（Ｃ）で満たされた状態になった後、濃縮液（Ｃ）は、正浸透膜モジュール（２０）内から排出されて回収されてよい。この正浸透膜モジュール（２０）からの濃縮液（Ｃ）の排出は、例えば濃縮液（Ｃ）の自重によって行われてよい。この操作は、例えば、原料液供給バルブ（Ｖ１）を閉とし、濃縮液排出バルブ（Ｖ２）を開とすることにより、行うことができる。
このとき、正浸透膜モジュール（２０）内からの濃縮液（Ｃ）の自重による排出を容易化するために、正浸透膜モジュール（２０）のコア側から外部に、適当なバルブ（図示せず）を介して連通する空気取入口（図示せず）を設置してもよい。

この段階においても、濃縮液（Ｃ）に不要のせん断応力ストレスをかけず、濃縮液（Ｃ）の分解・変質をできるだけ回避するとの観点から、正浸透膜モジュール（２０）から濃縮液（Ｃ）を排出するときに、送液ポンプを使用しないことが好ましい。

《原料液の濃縮装置》
本発明の別の観点によると、上記のような本発明の原料液の濃縮方法を実施するための濃縮装置が提供される。
本発明の原料液の濃縮装置は、
正浸透膜モジュール及び原料液タンクを有する、原料液の濃縮を行うための原料液の濃縮装置であって、
原料液タンクから正浸透膜モジュールへの原料液の供給が、原料液タンク中の原料液液面と正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われるように構成されている。

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。

《実施例１》
本実施例は、図１に示した装置を用いて、室温（２３℃）にて行った。
中空糸状正浸透膜モジュール（２０）としては、特許文献１（国際公開第２０１６／０２７８６９号）の実施例１に従って製造したモジュールを用いた。このモジュールは、内径０．７ｍｍの中空糸状正浸透膜（２１）１，５００本が、５ｃｍ径、５０ｃｍ長の円筒状プラスチックハウジングに充填され、両端部が接着剤で固定された構造を有する、中空糸状正浸透膜モジュールである。この中空糸状正浸透膜モジュール（２０）の有効膜内表面積は、１．５ｍ^２であり、中空糸状正浸透膜（２１）１，５００本のコア内の総容積は、約０．３Ｌである。
この中空糸状正浸透膜モジュール（２０）内に充填された中空糸状正浸透膜（２１）は、ポリエーテルスルホンから成る多孔性の中空糸支持膜の内表面上に、ｍ−フェニレンジアミン及びトリメシン酸クロリドの界面重合によって合成されたポリアミド系の分離活性層を有する。

上記の中空糸状正浸透膜モジュール（２０）を、その長さ方向が鉛直方向と平行になるように支持し、鉛直方向上側のコア側上部導管（２９）を、原料液タンク（１０）の排出管と原料液供給バルブ（Ｖ１）を介して接続した。
また、中空糸状正浸透膜モジュール（２０）の鉛直方向下側のコア側下部導管（２８）には、濃縮液排出バルブ（Ｖ２）を介して排出管を接続し、濃縮液を排出及び回収できるようにした。

原料液（Ｒ）としては、５質量％のＮａＣｌ水溶液を用い、これを３倍濃度（１５質量％）まで濃縮することを、目標とした。
ドロー溶液（Ｄ）としては、２０質量％のＭｇＣｌ_２水溶液を用いた。

原料液タンク（１０）中に、原料液（Ｒ）を注入し、原料液（Ｒ）の液面の高さ（ｈ１）と、中空糸状正浸透膜モジュール（２０）中の正浸透膜モジュール中の原料液（Ｒ）の液面の高さ（ｈ２）との液頭差（ΔＨ）を、５０ｃｍに調節した。
そして、原料液供給バルブ（Ｖ１）を開き、中空糸状正浸透膜モジュール（２０）中の中空糸状正浸透膜（２１）のコア側を、原料液（Ｒ）で満たした。このとき、配管内及びコア側空間内の空気を排出するために、濃縮液排出バルブ（Ｖ２）を適宜開閉し、ただし、正浸透膜モジュール（２０）のコア側空間が原料液（Ｒ）で満たされたときに、濃縮液排出バルブ（Ｖ２）が閉となるように操作を行った。
原料液（Ｒ）の充填後も、原料液供給バルブ（Ｖ１）は、開状態を維持し、中空糸状正浸透膜モジュール（２０）のコア側空間が原料液（Ｒ）で満たされ、かつ、原料液タンク（１０）と中空糸状正浸透膜モジュール（２０）のコア側空間とが、原料液供給バルブ（Ｖ１）を含む配管及びコア側上部導管（２９）を介して、原料液（Ｒ）によって連通している状態とした。
次いで、ドロー溶液（Ｄ）を、中空糸状正浸透膜モジュール（２０）のシェル側下部導管（２２）から送液ポンプによって導入し、シェル側上部導管（２３）から排出して、中空糸状正浸透膜（２１）のシェル側への連続的な流通を始めることにより、原料液の濃縮を開始した。

原料液の濃縮中は、原料液供給バルブ（Ｖ１）は開のままとし、原料液（Ｒ）から、正浸透膜（２１）の膜壁を介してドロー溶液（Ｄ）に移動して体積が減少した分の原料液（Ｒ）が、随時追加されるようにした。
原料液の濃縮中は、シェル側のドロー溶液（Ｄ）の流通を維持した。
原料液の濃縮中、原料液タンク（１０）中の原料液（Ｒ）の減少を追跡することにより、濃縮の進行の程度をモニターした。

濃縮開始から１０分後、原料液タンク（１０）中の原料液（Ｒ）の体積減少量が、所定の値（約０．６Ｌ）となったため、原料液の濃縮を終了し、原料液供給バルブ（Ｖ１）を閉め、濃縮液排出バルブ（Ｖ２）を開いて、濃縮液（Ｃ）を排出し、回収した。
回収した濃縮液（Ｃ）のＮａＣｌ濃度は、１５質量％であった。

《実施例２》
原料液（Ｒ）として、Alanyl-Glutamine（アラニンとグルタミンとの縮合分子である、ジペプチド化合物）１０質量％を含有する水溶液を用い、これを４倍濃度（４０質量％）まで濃縮することを目標としたこと、及び、ドロー溶液（Ｄ）として、２５質量％のＭｇＣｌ_２水溶液を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、原料液（Ｒ）の濃縮を行った。
濃縮開始から３０分後、原料液タンク（１０）中の原料液（Ｒ）の体積減少量が、所定の値（約０．９Ｌ）となったため、原料液の濃縮を終了した。
回収した濃縮液（Ｃ）中のAlanyl-Glutamine濃度は、４０質量％であった。

上記の実施例により、本発明の方法によると、加熱、加圧、及び送液ポンプによるせん断応力の印加を伴わずに、原料液を高効率で高濃度に濃縮できることが検証された。

本発明の原料液の濃縮方法は、加熱、加圧、及びせん断応力を伴わずに原料液を高効率で高濃度に濃縮することができる。したがって本発明の方法は、これらのストレスによる分解、変質等が懸念される、食品、医薬品等の濃縮に好ましく適用できる。

１０ 原料液タンク
２０ 中空糸状正浸透膜モジュール
２１ 中空糸状正浸透膜
２２ シェル側下部導管
２３ シェル側上部導管
２４、２５ 接着剤固定部
２６、２７ ヘッダー
２８ コア側下部導管
２９ コア側上部導管
Ｖ１ 原料液供給バルブ
Ｖ２ 濃縮液排出バルブ
Ｒ 原料液
Ｄ ドロー溶液
Ｃ 濃縮液
ｈ１ 原料液の液面の高さ
ｈ２ 中空糸状正浸透膜の上端の高さ
ΔＨ 液頭差

Claims (14)

1. 正浸透膜モジュール及び原料液タンクを用いて原料液の濃縮を行う原料液の濃縮方法であって、
   前記原料液は、溶媒及び溶質を含有し、
   前記原料液は、前記原料液タンクから前記正浸透膜モジュールに供給され、
   前記原料液の濃縮は、前記原料液と、ドロー溶液とを、正浸透膜を介して接触させ、前記原料液中の溶媒を前記ドロー溶液中に移動させることにより行われ、かつ、
   前記原料液タンクから前記正浸透膜モジュールへの原料液の供給が、前記原料液タンク中の原料液液面と前記正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われる、
   原料液の濃縮方法。
2. 前記正浸透膜モジュールが、複数の中空糸状正浸透膜から構成される中空糸糸束を有する、中空糸状正浸透膜モジュールである、請求項１に記載の方法。
3. 前記原料液が、前記中空糸状正浸透膜のコア側に供給される、請求項２に記載の方法。
4. 前記中空糸状正浸透膜が、中空糸支持膜の内表面に分離活性物質層を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記中空糸状正浸透膜の内径が、０．５ｍｍ以上である、請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記原料液タンクから前記正浸透膜モジュールへの前記原料液の供給に、送液ポンプを使用しない、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記原料液の濃縮が、前記原料液が前記正浸透膜モジュール内に保持された状態で行われる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記正浸透膜モジュール内に保持された前記原料液中の溶媒が、前記ドロー溶液中に移動して、前記原料液の体積が減少したときに、前記原料液タンクから前記正浸透膜モジュールに、減少体積相当分の原料液を追加する、請求項７に記載の方法。
9. 前記原料液タンクから前記正浸透膜モジュールへの減少体積相当分の原料液の追加が、前記原料液タンク中の原料液液面と前記正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われる、請求項８に記載の方法。
10. 前記原料液タンクから前記正浸透膜モジュールへの前記原料液を追加するときに、送液ポンプを使用しない、請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記原料液が、所定の濃度の濃縮液となった後、前記正浸透膜モジュールから前記濃縮液を排出して回収する、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記正浸透膜モジュールから前記濃縮液の排出が、前記濃縮液の自重によって行う、請求項１１に記載の方法。
13. 前記正浸透膜モジュールから前記濃縮液を排出するときに、送液ポンプを使用しない、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 正浸透膜モジュール及び原料液タンクを有する、原料液の濃縮を行うための原料液の濃縮装置であって、
    前記原料液タンクから前記正浸透膜モジュールへの原料液の供給が、前記原料液タンク中の原料液液面と前記正浸透膜モジュール中の原料液液面との間の液頭差によって行われるように構成されている、
    原料液の濃縮装置。

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