JP2023048585A - 膜ろ過装置および膜ろ過方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】分離膜にかかる負担を抑えつつ、分離膜に物質が付着することを抑制できる膜ろ過装置および膜ろ過方法を提供する。【解決手段】膜ろ過装置は、被処理液を透過液と濃縮液とに分離する分離膜を有する分離部と、分離部に被処理液を供給するポンプと、ポンプが供給する被処理液の流量を制御する流量制御部とを備え、流量制御部は、被処理液の流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから減少させた後、当該被処理液の流量Ｑを増加させて定常状態の流量ＱＳに戻すことで、分離膜に物質が付着することを抑制する。【選択図】図２
Description
本発明は、膜ろ過装置および膜ろ過方法に関する。
従来、分離膜を用いて被処理液を透過液と濃縮液とに分離する膜ろ過装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
膜ろ過装置は、分離膜の孔径以上の物質を非加熱で分離することができ、液状食品の濃縮や除菌、タンパク質や糖の分離精製など幅広く使用されている。膜ろ過装置では、簡便に濃縮や分離操作を行うことができる一方で、時間経過とともに分離膜に物質が付着する、いわゆる膜ファウリングが発生し得る。
膜ろ過装置は、分離膜の孔径以上の物質を非加熱で分離することができ、液状食品の濃縮や除菌、タンパク質や糖の分離精製など幅広く使用されている。膜ろ過装置では、簡便に濃縮や分離操作を行うことができる一方で、時間経過とともに分離膜に物質が付着する、いわゆる膜ファウリングが発生し得る。
特許文献１に記載された膜ろ過装置は、透過液の流量が一定値以下に減少したときに、バイパス配管に設けられた開閉弁を開いて濃縮液側の流量を通常時よりも増加させるとともに、ポンプの正転運転と逆転運転とを交互に繰り返すことで、逆浸透膜（分離膜）に付着した物質を剥ぎ取るようになっている。
特許文献２に記載された膜ろ過装置は、フィルター（分離膜）に被処理液を送る配管の内部に柱状物体を設置することで、膜間差圧を分離膜の固有振動数に合わせて変動させ、分離膜に不純物が付着して堆積することを防止する。
特許文献２に記載された膜ろ過装置は、フィルター（分離膜）に被処理液を送る配管の内部に柱状物体を設置することで、膜間差圧を分離膜の固有振動数に合わせて変動させ、分離膜に不純物が付着して堆積することを防止する。
しかしながら、特許文献１、２に記載されたような従来の膜ろ過装置は、濃縮液側の流量を通常時よりも増加させた上でポンプの正転運転と逆転運転とを交互に繰り返したり、膜間差圧を分離膜の固有振動数に合わせて変動させたりするため、分離膜に負担がかかるという問題がある。
本発明の目的は、分離膜にかかる負担を抑えつつ、分離膜に物質が付着することを抑制できる膜ろ過装置および膜ろ過方法を提供することにある。
本発明の膜ろ過装置は、被処理液を透過液と濃縮液とに分離する分離膜を有する分離部と、前記分離部に前記被処理液を供給するポンプと、前記ポンプが供給する前記被処理液の流量を制御する流量制御部とを備え、前記流量制御部は、前記被処理液の流量を定常状態の流量から減少させた後、当該被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことで、前記分離膜に物質が付着することを抑制することを特徴とする。
本発明によれば、被処理液の流量を定常状態の流量から減少させた後、当該流量を増加させて定常状態の流量に戻すことで、分離膜に物質が付着することを抑制するので、分離膜にかかる負担を抑えつつ、分離膜に物質が付着することを抑制できる。
本発明の膜ろ過装置において、前記流量制御部は、前記定常状態の流量から減少させる速度勾配よりも急な速度勾配で前記被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことが好ましい。
本発明によれば、定常状態の流量から減少させる速度勾配よりも急な速度勾配で被処理液の流量を増加させて定常状態の流量に戻すので、被処理液の流量を速やかに定常状態の流量に戻ことができ、被処理液の流量が定常状態の流量よりも少なくなる時間を短くすることができる。
本発明の膜ろ過装置において、前記流量制御部は、前記ポンプの回転数を低下させることで前記被処理液の流量を前記定常状態の流量から減少させた後、前記ポンプの回転数を上昇させることで前記被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことが好ましい。
本発明によれば、ポンプの回転数を変化させることで分離膜に物質が付着することを抑制するので、新たな構成を追加する必要がなく、装置構成が複雑化することを防止できる。
本発明の膜ろ過装置において、前記分離膜は、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜または精密ろ過膜であることが好ましい。
本発明によれば、被処理液中の分離対象物質に適した分離膜を選択することができる。
本発明の膜ろ過装置において、前記分離部は、複数の前記分離膜がケースに収容された分離膜モジュールであり、前記分離膜モジュールは、セラミック膜モジュール、スパイラル膜モジュール、中空糸膜モジュールまたは平膜モジュールであることが好ましい。
本発明によれば、被処理液中の分離対象物質に適した分離膜モジュールを選択することができる。
本発明の膜ろ過方法は、被処理液を透過液と濃縮液とに分離する分離膜を有する分離部に前記被処理液をポンプで供給する供給工程と、前記ポンプが供給する前記被処理液の流量を制御する流量制御工程とを備え、前記流量制御工程では、前記被処理液の流量を定常状態の流量から減少させた後、当該被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことで、前記分離膜に物質が付着することを抑制することを特徴とする。
本発明によれば、上述した膜ろ過装置と同様の効果を得ることができる。
以下、図１および図２に基づいて本発明の一実施形態について説明する。
図１において、膜ろ過装置１は、分離膜に被処理液を透過させることにより、分離膜の孔径よりも大きな粒子を有する分離対象物質を分離する装置である。本実施形態の膜ろ過装置１は、分離膜の膜面に対して平行に被処理液を流すクロスフローろ過を行い、液状食品を被処理液として当該被処理液の分離処理を実施する。なお、被処理液としては、例えば、糖水溶液、タンパク質水溶液、牛乳、ホエイ、脱脂乳が挙げられる。
図１において、膜ろ過装置１は、分離膜に被処理液を透過させることにより、分離膜の孔径よりも大きな粒子を有する分離対象物質を分離する装置である。本実施形態の膜ろ過装置１は、分離膜の膜面に対して平行に被処理液を流すクロスフローろ過を行い、液状食品を被処理液として当該被処理液の分離処理を実施する。なお、被処理液としては、例えば、糖水溶液、タンパク質水溶液、牛乳、ホエイ、脱脂乳が挙げられる。
膜ろ過装置１は、タンク２、分離部３、ポンプ４、流量制御部５、およびバルブ６を備えている。
タンク２は、被処理液を貯蔵する。タンク２の種類、大きさ、形状等は、特に限定されない。
分離部３は、被処理液を透過液と濃縮液とに分離する分離膜を有し、例えば、複数の分離膜をケースに収容した分離膜モジュールで構成される。本実施形態の分離部３は、被処理液が分離膜の膜面に対して平行に流れるように構成され、クロスフローろ過を実施するようになっている。分離部３で使用する分離膜の種類としては、例えば、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜、電気透析膜があり、分離膜の形状としては、平膜、スパイラル膜、中空糸膜、多孔質膜がある。
ポンプ４は、配管４１、４２を介してタンク２および分離部３に接続され、タンク２から分離部３に被処理液を供給する。ポンプ４としては、例えば、容積ポンプやターボ型ポンプが挙げられるが、特に限定されない。本実施形態のポンプ４は、回転子等の回転によって被処理液を供給する。
流量制御部５は、制御装置５１およびインバータ５２を備え、ポンプ４が供給する被処理液の流量Ｑを制御する。
制御装置５１は、信号発生器、コンピュータ等で構成され、ポンプ４を駆動するための信号波形をインバータ５２に出力し、インバータ５２を介してポンプ４の回転数を制御する。
制御装置５１は、信号発生器、コンピュータ等で構成され、ポンプ４を駆動するための信号波形をインバータ５２に出力し、インバータ５２を介してポンプ４の回転数を制御する。
バルブ６は、配管６１を介して分離部３の下流側（濃縮水側）に接続され、バルブ開度により濃縮水側の背圧を調整する。
以上の膜ろ過装置１で、被処理液を透過液と濃縮液とに分離する方法について説明する。
先ず、制御装置５１において、キーボードやタッチパネル等の入力手段を介して、ポンプ４を駆動するための信号波形を設定する。この際、被処理液の流量Ｑが一定になる定常状態の流量ＱＳ（図２参照）を継続させる信号波形を設定するとともに、流量Ｑを定常状態から減少させた後再び定常状態の流量ＱＳに戻すことを繰り返す流量変動制御の信号波形を設定する。流量変動制御の信号波形は、定常状態の流量ＱＳが一定時間継続する度に出力されるように、かつ流量変動制御時の流量Ｑが定常状態の流量ＱＳを超えないように設定する。本実施形態の場合、流量変動制御の信号波形は、図２に示すように、流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから一定の速度勾配θ１で最小流量ＱＭまで減少させた後、当該速度勾配θ１よりも急な一定の速度勾配θ２で流量Ｑを定常状態の流量ＱＳに戻す波形とする。なお、図２において、縦軸はポンプ４から供給される被処理液の流量Ｑであり、横軸は時間ｔである。
先ず、制御装置５１において、キーボードやタッチパネル等の入力手段を介して、ポンプ４を駆動するための信号波形を設定する。この際、被処理液の流量Ｑが一定になる定常状態の流量ＱＳ（図２参照）を継続させる信号波形を設定するとともに、流量Ｑを定常状態から減少させた後再び定常状態の流量ＱＳに戻すことを繰り返す流量変動制御の信号波形を設定する。流量変動制御の信号波形は、定常状態の流量ＱＳが一定時間継続する度に出力されるように、かつ流量変動制御時の流量Ｑが定常状態の流量ＱＳを超えないように設定する。本実施形態の場合、流量変動制御の信号波形は、図２に示すように、流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから一定の速度勾配θ１で最小流量ＱＭまで減少させた後、当該速度勾配θ１よりも急な一定の速度勾配θ２で流量Ｑを定常状態の流量ＱＳに戻す波形とする。なお、図２において、縦軸はポンプ４から供給される被処理液の流量Ｑであり、横軸は時間ｔである。
ここで、流量変動制御時の最小流量ＱＭは、定常状態の流量ＱＳの１０分の１～２分の１にすることが好ましい。また、流量変動制御の信号波形の周期は２．５～５０秒とすることが好ましく、定常状態の流量ＱＳから最小流量ＱＭまでの流量Ｑの減速時間（減少時間）ＴＤと、最小流量ＱＭから定常状態の流量ＱＳまでの流量Ｑの加速時間（増加時間）ＴＡとの比は４：１、３：２、２：３、１：４（流量Ｑの減速度と加速度との比は１：４、２：３、３：２、４：１）とすることが好ましい。
そして、入力手段を介して制御装置５１に運転開始の信号を入力すると、制御装置５１は、定常状態の信号波形をインバータ５２に出力し、インバータ５２を介してポンプ４を定常状態で駆動する。これにより、ポンプ４は、所定の回転数で回転し、定常状態の流量ＱＳで分離部３に被処理液を供給する。また、バルブ６は、分離部３における濃縮液側の圧力、および透過液の流量がそれぞれ既定値となるように開度を調整する。
その後、定常状態の流量ＱＳが一定時間継続すると、制御装置５１は、流量変動制御の信号波形をインバータ５２に出力し、インバータ５２を介してポンプ４の回転数を変動させる。すなわち、流量制御部５は、ポンプ４の回転数を低下させることで流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから一定の速度勾配θ１で減少させた後、ポンプ４の回転数を上昇させることで流量Ｑを一定の速度勾配θ２で増加させて定常状態の流量ＱＳに戻すことを繰り返す。これにより、被処理液の流れに乱れを生じさせる。被処理液の流れの乱れは、流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから減少させる際に多く生じる他、流量Ｑが減少から増加に転じる際や、流量Ｑが増加から定常状態に転じる際にも生じ得る。このため、被処理液の流れに脈動が生じ、分離膜に物質が付着することが抑えられる。
そして、流量変動制御が終了すると、制御装置５１は、再び定常状態の信号波形をインバータ５２に出力し、インバータ５２を介してポンプ４を定常状態で駆動する。その後も、流量制御部５は、定常状態の流量ＱＳが一定時間継続するごとに流量変動制御を実施し、定期的に被処理液の流量Ｑを変動させる。
以上の膜ろ過装置１を利用し、下記表１の実施例１～６を一例として各種被処理液を透過液と濃縮液とに分離したところ、流量変動制御を実施しない場合（定常状態の流量ＱＳを継続した場合）に比べて、何れも透過流速が増加し、分離膜に物質が付着することが抑制されていることがわかった。
なお、表１中の「定常状態に対する最小流量の比率」は、定常状態の流量ＱＳに対する流量変動制御中の最小流量ＱＭの比率であり、「減速時間」、「加速時間」は、図２に示す減速時間ＴＤ、加速時間ＴＡであり、「透過流速の増加率」は、流量変動制御を実施しない場合の透過流速に対する流量変動制御時の透過流速の増加率である。また、ＷＰＩ水溶液とは、ＷＰＩ（Whey Protein Isolate：ホエータンパク質分離物）の水溶液である。
なお、表１中の「定常状態に対する最小流量の比率」は、定常状態の流量ＱＳに対する流量変動制御中の最小流量ＱＭの比率であり、「減速時間」、「加速時間」は、図２に示す減速時間ＴＤ、加速時間ＴＡであり、「透過流速の増加率」は、流量変動制御を実施しない場合の透過流速に対する流量変動制御時の透過流速の増加率である。また、ＷＰＩ水溶液とは、ＷＰＩ（Whey Protein Isolate：ホエータンパク質分離物）の水溶液である。
以上のような実施形態によれば、被処理液の流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから減少させた後、流量Ｑを増加させて定常状態の流量ＱＳに戻すことで、分離膜に物質が付着することを抑制するので、分離膜にかかる負担を抑えつつ、分離膜に物質が付着することを抑制できる。
すなわち、流量制御部５は、被処理液の圧力を変動させるのではなく、流量変動制御によって被処理液の流量Ｑを制御するため、分離膜にかかる負担を抑えることができる。
すなわち、流量制御部５は、被処理液の圧力を変動させるのではなく、流量変動制御によって被処理液の流量Ｑを制御するため、分離膜にかかる負担を抑えることができる。
また、定常状態の流量ＱＳから減少させる速度勾配θ１よりも急な速度勾配θ２で被処理液の流量Ｑを増加させて定常状態の流量ＱＳに戻すので、被処理液の流量Ｑを速やかに定常状態の流量ＱＳに戻すことができ、被処理液の流量Ｑが定常状態の流量ＱＳよりも少なくなる時間を短くすることができる。
また、ポンプ４の回転数を変化させることで分離膜に物質が付着することを抑制するので、新たな構成を追加する必要がなく、装置構成が複雑化することを防止できる。
また、流量制御部５は、流量変動制御によって、被処理液を逆方向に流すことなく、流量Ｑの減少、増加のみを行うため、流量変動制御中も連続して被処理液の分離処理を実施することができる。
以上のように、本発明を実施するための最良の構成、方法等は、前記記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。また、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれる。
例えば、膜ろ過装置１は、分離膜の膜面に交差する方向に被処理液を流し、当該被処理液の全量をろ過する全量ろ過を行うものであってもよいし、液状食品以外の被処理液の分離処理を実施してもよい。
ポンプ４は、可変容量型のものであってもよく、この場合、流量制御部５は、ポンプ４の容量を変化させることで、被処理液の流量Ｑを制御してもよい。
ポンプ４は、ピストンやプランジャ等を往復動作させることで被処理液を供給するものであってもよく、この場合、流量制御部５は、往復動作の速度を変化させることで、被処理液の流量Ｑを制御してもよい。
ポンプ４は、ピストンやプランジャ等を往復動作させることで被処理液を供給するものであってもよく、この場合、流量制御部５は、往復動作の速度を変化させることで、被処理液の流量Ｑを制御してもよい。
流量制御部５は、被処理液の分離処理中に所定の時刻になったら流量変動制御を実施するようにしてもよいし、分離処理中は常に流量変動制御を実施するようにしてもよい。
流量制御部５は、流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから減少させた後、増加させて定常状態の流量ＱＳに戻す周期を流量変動制御中に１周期だけ実施してもよいし、複数周期実施してもよく、流量変動制御中の当該周期の実施数は特に限定されない。
流量制御部５は、速度勾配θ１、θ２を同じ勾配としてもよいし、速度勾配θ２を速度勾配θ１よりも緩やかにしてもよい。
流量制御部５は、三角波、正弦波、矩形波を信号波形として流量変動制御を実施してもよい。
流量制御部５は、流量Ｑを定常状態の流量ＱＳから減少させた後、増加させて定常状態の流量ＱＳに戻す周期を流量変動制御中に１周期だけ実施してもよいし、複数周期実施してもよく、流量変動制御中の当該周期の実施数は特に限定されない。
流量制御部５は、速度勾配θ１、θ２を同じ勾配としてもよいし、速度勾配θ２を速度勾配θ１よりも緩やかにしてもよい。
流量制御部５は、三角波、正弦波、矩形波を信号波形として流量変動制御を実施してもよい。
１…膜ろ過装置、２…タンク、３…分離部、４…ポンプ、５…流量制御部、６…バルブ、Ｑ…被処理液の流量、ＱＳ…定常状態の流量。
Claims (6)
- 被処理液を透過液と濃縮液とに分離する分離膜を有する分離部と、
前記分離部に前記被処理液を供給するポンプと、
前記ポンプが供給する前記被処理液の流量を制御する流量制御部とを備え、
前記流量制御部は、前記被処理液の流量を定常状態の流量から減少させた後、当該被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことで、前記分離膜に物質が付着することを抑制することを特徴とする膜ろ過装置。 - 前記流量制御部は、前記定常状態の流量から減少させる速度勾配よりも急な速度勾配で前記被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことを特徴とする請求項１に記載の膜ろ過装置。
- 前記流量制御部は、前記ポンプの回転数を低下させることで前記被処理液の流量を前記定常状態の流量から減少させた後、前記ポンプの回転数を上昇させることで前記被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜ろ過装置。
- 前記分離膜は、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜または精密ろ過膜であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の膜ろ過装置。
- 前記分離部は、複数の前記分離膜がケースに収容された分離膜モジュールであり、
前記分離膜モジュールは、セラミック膜モジュール、スパイラル膜モジュール、中空糸膜モジュールまたは平膜モジュールであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の膜ろ過装置。 - 被処理液を透過液と濃縮液とに分離する分離膜を有する分離部に前記被処理液をポンプで供給する供給工程と、
前記ポンプが供給する前記被処理液の流量を制御する流量制御工程とを備え、
前記流量制御工程では、前記被処理液の流量を定常状態の流量から減少させた後、当該被処理液の流量を増加させて前記定常状態の流量に戻すことで、前記分離膜に物質が付着することを抑制することを特徴とする膜ろ過方法。
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