JP4167222B2 - 中空ファイバメンブランモジュールの完全性喪失影響を最小化するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、メンブラン濾過システムに関するものであり、特に、複数の多孔性中空ファイバメンブランを使用していることのためにメンブランの完全性が喪失した場合には濾過特性が劣化してしまうようなシステムに関するものである。

図１に示すような典型的な中空ファイバメンブランモジュールについて考察する。このモジュールは、複数の中空ファイバメンブラン（５）を備えて構成されており、各メンブラン（５）の少なくとも一端部は、長さ（Ｌ）を有したポット（６）内に嵌め込まれている。各ファイバからの流通を計算するため、ＴＭＰ（Transmembrane pressure、メンブランを介しての圧力差、Ｐ_１−Ｐ_２）を、モジュール全体の抵抗（Ｒ）を通して作用するものとして考慮する。これにより、流量（Ｑ）が与えられる。
ＴＭＰ／Ｒ α Ｑ（一定温度において）

さて、典型的なモデルにおいては、抵抗を分解することができる。
Ｒ＝Ｒ_ｍ＋Ｒ_ｐｏｔ
Ｑ_ｉ α ＴＭＰ／（Ｒ_ｍ＋Ｒ_ｐｏｔ）
ここで、Ｑ_ｉ は、完全性を有したファイバの頂面から導出される流量であり、Ｒ_ｍ は、モジュール抵抗であり、Ｒ_ｐｏｔ は、ポットを通しての抵抗である。

Ｒ_ｍ は、ファイバの長手方向において変化するものではあるけれども、平均的に考えれば、一定であると見なすことができる。

ここで、ポット頂部のところにおいてファイバが破損している場合（濾液がバイパスするという最悪の事態）について、考察する。この場合には、
Ｒ_ｍ ＝０
Ｑ_ｂ α ＴＭＰ／Ｒ_ｐｏｔ
ここで、Ｑ_ｂ は、破損したファイバの頂面から導出される濾液流量である。

完全性を有したファイバの場合の流量に対しての、破損したファイバの場合の流量の比率は、次のようになる。
Ｑ_ｂ／Ｑ_ｉ ＝ （Ｒ_ｍ＋Ｒ_ｐｏｔ）／Ｒ_ｐｏｔ
＝ １＋Ｒ_ｍ／Ｒ_ｐｏｔ

通常は、Ｒ_ｍ＞＞Ｒ_ｐｏｔであって、典型的には、２０である。よって、破損したファイバの場合には、かなりの量が流れ、これにより、濾液が汚染されて、濾過性能が低下する。加えて、ファイバの内径が増大すれば、典型的には、Ｒ_ｐｏｔ α Ｌ／ｄ^４といったようなより深刻な問題点をもたらす。ここで、ｄは、管腔の直径であり、Ｌは、ポットの長さである。

したがって、破損したファイバからの濾液流量を低減させることが望ましい。Ｒ_ｐｏｔ を増大させた場合（例えば、Ｌを増大させることにより、あるいは、ｄを減少させることにより）について、考察する。Ｑ_ｂ／Ｑ_ｉの限界は、１となる傾向がある。これは、非常に望ましい結果である。しかしながら、ポットの長さを増大させることは、他の面から望ましくない。すなわち、モジュールの長さを増大させてしまい、モジュールおよびプロセスを高価なものとしてしまう。他の選択肢は、ポット内におけるファイバの内径を小さくすることである。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。

本発明の目的は、中空ファイバメンブラン濾過システムにおいて完全性が喪失された場合に従来技術において発生する問題点を克服することでありまた少なくとも改善することであり、また、少なくとも、有効な代替手段を提供することである。

一見地においては、本発明は、中空ファイバメンブランモジュールの完全性喪失影響を低減するための方法を提供するものであって、モジュールが、複数の中空ファイバメンブランを具備しているとともに、それら複数のファイバメンブランの少なくとも一端が、ポット内に支持されているような場合に、この方法においては、ポットの延在領域において、ファイバメンブランの管腔を通しての液体流通抵抗を増大させる。

好ましくは、流通抵抗の増大化を、ポットの延在領域においてファイバ管腔の内部横断面積を低減させることによって行う。好ましくは、流通抵抗の増大化を、ポットの延在領域においてファイバ管腔の流体流通経路内に多孔性層を配置することによって行う。

さらなる見地においては、本発明は、中空ファイバメンブランモジュールを提供するものであって、少なくとも一端がポット内に支持された複数の中空ファイバメンブランと；ポットの延在領域においてファイバメンブランの管腔を通しての流通を制限するための流通制限手段と；を具備している。

好ましくは、流通制限手段は、ポットの延在領域においてファイバ管腔の内部横断面積を低減させるための手段を備えている。

以下においては、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての好ましい実施形態について、説明する。

図２には、本発明の好ましい一実施形態が示されている。焼成層あるいは多孔性層（１０）が、ポット（６）の頂面上に配置されており、これにより、ポットに対して直列的にさらなる抵抗（Ｒ_ｐｏｔ２）がもたらされている。すなわち、次のようである。
Ｒ_ｐｏｔ＝Ｒ_ｐｏｔ１＋Ｒ_ｐｏｔ２

適切な焼成層（１０）は、数μｍという程度の寸法の開口を有することができ、厚さがわずか数ｍｍとされている。この手法により、比（Ｑ_ｂ／Ｑ_ｉ）を、１０分の１へと減少させることができる。

このような構成は、バイオリアクター内のメンブランフィルタシステムに関して使用された場合には、さらなる利点をもたらす。バイオリアクター内に供給された大きな固体は、スラッジとなって、実際にフィルタを閉塞させ、完全に破損したファイバを自己シールする。

このような利点は、焼成物層を、中空ファイバメンブランと同じポアサイズのメンブランへと置換した場合には、一般的な実施態様に応用することができる。これにより、小さな固体の供給によってさえも、自己閉塞能力を得ることができる。

焼成物層またはメンブラン（１０）に基づく付加的な抵抗のために、モジュール濾液流量を維持するためには、付加的な圧力が必要とされることは明らかである。しかしながら、これは、メンブランプロセスの動作効率ではなく、動作コストにかかわるに過ぎない。それは、焼成物層またはメンブラン（１０）が、メンブラン上の圧縮性ダート層を介して動作しているのではなく、ポットアセンブリ上において動作しているからである。

このメンブラン焼成物に対する付着物は、塩素や他の適切な洗浄剤を使用した定期的な逆流洗浄によって、低減することができる。

メンブラン／焼成物（１０）は、望ましくは、ポット（６）に対して緊密に接触させられる。これにより、濾液／供給バイパスが側方へと流通してしまうことを防止することができる。この構成は、交換可能な焼成物／メンブラン部材を使用することによっても、得ることができる。

ポット（６）に対して接触する面に大きなポアを有しているような、かなり非対称なメンブラン（１０）が、望ましい（このため、通常の濾液流通においては、濾液は、ポアサイズが低減していく向きに流通することとなる）。

図３Ｂ〜図３Ｋに示すように、様々な手法を使用することによって、ポットの流通抵抗を増大させることができる。

図３Ａには、変形が施されていない通常のポット（６）が示されている。図３Ｂは、ポット（６）の長さを増大させた態様が示されている。この態様は、ポットの流通抵抗を増大させ得るものではあるけれども、他の欠点を有している。

図３Ｃは、ファイバ（５）に対して、ファイバ（５）とポット（６）との間の界面に隣接させて、非多孔性コーティング（７）を付加した態様を示している。非多孔性コーティング（７）は、ポットの流通抵抗を増大させ得るよう機能するとともに、ファイバ故障箇所を、ファイバとポットとの間の界面から遠い位置へと移動させるように機能する。

図３Ｄおよび図３Ｅは、ファイバ管腔（８）の内表面（１１）のうちのポット（６）によって包囲された領域の一部または全部に対して付加された材料層（９）を使用することによって、ファイバ管腔（８）の内径を低減させ、これにより、流通量を低減させるという、他の手法を示している。

そのような材料層（９）を付加するための一手法は、ポット（６）の端部近傍において、管腔（８）の内面を、この領域においてファイバ管腔（８）の内径を効果的に低減させ得る薄い材料層によって、コーティングすることである。これは、ファイバ管腔（８）の端部内に例えばエポキシといったような材料を適用し、その後、ファイバ管腔壁（１２）上に薄いコーティング（９）だけを残すようにして、材料の硬化前に余剰材料を除去し、所定時間にわたって硬化させることによって、行うことができる。

図３Ｆに示す態様は、適切なグラウト材料（１３）をポットの表面に対して適用し、これにより、ポット（６）の開口（１４）の近傍においてファイバ管腔（８）の内径を減少させた様子を示している。

図３Ｇは、ポット（６）に対応した領域において、ファイバ管腔（８）の端部内へと、例えば中空ピンといったような中空套管（１５）を挿入した様子を示している。これにより、ポット（６）に対応した領域においてファイバ管腔（８）の横断面積を低減させることができる。

図３Ｈは、図２の実施形態と同様に、管腔の開口（１４）を横断させて、多孔質材料層（１０）を適用した様子を示している。

図３Ｉは、多孔質材料を開口（１４）内へと嵌入し、これにより、プラグ（１６）を形成した様子を示している。これは、多孔性グラウトを、ファイバ管腔開口（１４）内へと塗布することにより、行うことができる。この場合にも、プラグ（１６）は、ポット（６）に対応した領域においてファイバ管腔（８）の流通抵抗を増大させるよう機能する。

図３Ｊは、ポット材料を膨潤させることによりあるいはファイバの端部を押圧することにより、ポット（６）に対応した領域においてファイバ管腔（８）を狭めたような、本発明の実施態様を示している。

図３Ｋは、ポットの中へと嵌め込む前に、ファイバ管腔端部を狭めたような、本発明の実施態様を示している。

図４は、本発明による作用を例示するために、２つのモジュールに関して行った試験結果を示している。試験においては、２つのモジュールＡ，Ｂを使用した。各モジュールに関し、１つの中空ファイバメンブランをポット内へと嵌め込んだ。ファイバのうちの、ポット内に位置していない端部を、シールした。ステンレススチールメッシュを、図２および図３Ｈに示すような実施形態の場合と同様に、濾過時に供給液が側方へとバイパスしないようにして、一方のモジュールのポットの頂面上に接着した。メッシュは、５１μｍという開口を有しているとともに、５６μｍという厚さを有している。双方のモジュールの特性を、以下の表１に示す。

まず最初に、供給水を、３５分間にわたってモジュールＡを通して濾過した。この濾過時に、メンブランを介しての圧力差（ＴＭＰ）を測定した。その後、モジュールＡのファイバを、ポットの近傍においてカットし、この状態で、さらなる３５分間にわたって、モジュールＡを使用して供給水の濾過を行った。この濾過時に、メンブランを介しての圧力差（ＴＭＰ）を測定した。同じ試験を、同じ供給水を使用して、モジュールＢに関して繰り返した。

図４に示すグラフは、ファイバカットの前後における２つの濾過時において、モジュールＡ、ＢのＴＭＰを比較して示している。グラフの第１部分は、２つの曲線が非常に似通っていることを示している。特に、グラフの第１部分は、双方のモジュールのＴＭＰが、同じ速度で増大していることを示している。双方のモジュールのファイバは、同様の速度で汚染された。２つのモジュールの間におけるＴＭＰのわずかな相違は、モジュールＢにおけるメッシュに起因するものである。メッシュは、流通に対して小さな付加的抵抗をもたらす。各モジュールのファイバをカットした後におけるグラフの第２部分は、モジュールＡ、Ｂに関するＴＭＰの変化が、かなり相違していることを示している。モジュールＡのＴＭＰは、小さなままである。一方、モジュールＢのＴＭＰは、尖鋭に増大しており、このことは、メッシュが供給汚染物質によって閉塞されていることを示している。

この試験は、完全性喪失の影響に関する限りにおいて、メッシュの効果を明瞭に示している。モジュールに対してメッシュを付加したことにより、カットされたファイバは、迅速に自身をシールし、供給によって濾液が汚染されることを防止する。

当業者には、ポットの領域においてファイバ管腔内の流通を低減するために、様々なまた多様な技術を使用し得ることが、明瞭である。それら技術は、本発明の範囲内に属するものである。また、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明の他の実施態様が可能であることも、理解されるであろう。

完全性を有したファイバと破損したファイバとを有した典型的な中空ファイバメンブランモジュールを概略的に示す断面図である。 図１と同様の図であるとともに、ポットの表面に対して多孔質層が設置されている。 図３Ａ〜図３Ｋは、本発明の様々な実施形態を拡大して示す概略的な断面図である。 ２つのモジュールに関して行った試験結果を示すグラフである。

符号の説明

５ ファイバ
６ ポット
７ 非多孔性コーティング
８ ファイバ管腔
９ 材料層
１０ 多孔性層
１３ グラウト材料
１５ 中空套管
１６ プラグ

Claims (12)

1. 中空ファイバメンブランモジュールの完全性喪失影響を低減するための方法であって、
   前記モジュールが、複数の中空ファイバメンブランを具備しているとともに、それら複数のファイバメンブランの少なくとも一端が、ポット内に支持されているような場合に、
   前記ポットの延在領域において、前記ファイバメンブランの管腔を通しての液体流通抵抗を増大させ、
   前記流通抵抗の増大化を、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の内部横断面積を低減させることによって行い、
   前記ファイバ管腔の前記内部横断面積の低減化を、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の前記端部を多孔性材料により閉塞することによって行うことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記流通抵抗の増大化を、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の流体流通経路内に多孔性層を配置することによって行うことを特徴とする方法。
3. 請求項１記載の方法において、
   前記ファイバ管腔の前記内部横断面積の低減化を、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の内表面の一部または全部に対してコーティング体を付設することによって行うことを特徴とする方法。
4. 請求項１記載の方法において、
   前記ファイバ管腔の前記内部横断面積の低減化を、前記ファイバ管腔の延在領域において前記ポットの表面に対してグラウト材料を塗布することによって行うことを特徴とする方法。
5. 請求項１記載の方法において、
   前記ファイバ管腔の前記内部横断面積の低減化を、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔内に中空管を挿入することによって行うことを特徴とする方法。
6. 請求項１記載の方法において、
   前記ファイバ管腔の前記内部横断面積の低減化を、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の前記端部を締め付けることによって行うことを特徴とする方法。
7. 請求項６記載の方法において、
   前記締付を、前記ポットの構成材料を膨潤させることによって行うことを特徴とする方法。
8. 中空ファイバメンブランモジュールであって、
   少なくとも一端がポット内に支持された複数の中空ファイバメンブランと；
   前記ポットの延在領域において前記ファイバメンブランの管腔を通しての流通を制限するための流通制限手段と；
   を具備し、
   前記流通制限手段が、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の内部横断面積を低減させるための手段を備え、
   前記ファイバ管腔の内部横断面積を低減させるための前記手段が、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の流体流通経路の端部を閉塞する多孔性材料を備えていることを特徴とする中空ファイバメンブランモジュール。
9. 請求項８記載の中空ファイバメンブランモジュールにおいて、
   前記流通制限手段が、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の流体流通経路内に配置された多孔性層を備えていることを特徴とする中空ファイバメンブランモジュール。
10. 請求項８記載の中空ファイバメンブランモジュールにおいて、
    前記流通制限手段が、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔の内表面の一部または全部に対して付設されたコーティング体を備えていることを特徴とする中空ファイバメンブランモジュール。
11. 請求項８記載の中空ファイバメンブランモジュールにおいて、
    前記流通制限手段が、前記ファイバ管腔の延在領域において前記ポットの表面に対して塗布されたグラウト材料を備えていることを特徴とする中空ファイバメンブランモジュール。
12. 請求項８記載の中空ファイバメンブランモジュールにおいて、
    前記流通制限手段が、前記ポットの延在領域において前記ファイバ管腔内に挿入された中空管を備えていることを特徴とする中空ファイバメンブランモジュール。

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