JP4382821B2 - 膜モジュールおよび一体化膜カセット - Google Patents

Description

本発明は、一般に、成分を流体にまたは流体から選択的に移送するために使用することができる一体化膜アセンブリに関する。より詳細には、本発明は、膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）、膜曝気バイオリアクタ（ＭＡＢＲ）、抽出膜バイオリアクタ（ＥＭＢＲ）、ならびに他の濾過および物質移動装置に有用な一体化平坦シート膜カセットに関する。

水処理プロセスは、一般に、水中の不要な物質の分解を引起すために、バクテリアなどの微生物を使用する。微生物は、不要な物質を燃料源として使用し、それにより、それを水から除去する。廃水の生物学的浄化のためのいくつかの標準プロセスとしては、活性汚泥プロセス、散水濾床プロセス、および回転ディスク曝気プロセスなどが挙げられる。

これらの従来の水処理プロセスに共通の１つの問題は、それらの小さい単位体積あたり処理容量のため、それらが大きい設備およびプロセスフットプリントを必要とすることである。活性汚泥プロセスには他の特定の欠陥がある。たとえば、それは、空気気泡の、水への集中導入による廃水の曝気（「スパージング（ｓｐａｒｇｉｎｇ）」）を必要とし、これは、従来のスパージング設備を動作させるために必要な大量のエネルギーによって非常に高価であることがあり、廃水の曝気および混合を独立して制御する際に困難を引起す。さらに、スパージングは、資本集約的気体再循環が用いられない限り、入力気体の大きいパーセンテージが、曝気タンクの上部で気泡が破裂するときに失われる点で、非効率である。活性汚泥プロセスの別の欠点は、反応器内の微生物の集団が、典型的には、主として好気性微生物を含み、いくつかの汚染物質の除去の完了またはほぼ完了のために、嫌気性微生物がさらに必要とされることである。さらに別の欠点は、このプロセスが、処理液体中の微生物を含む処理液体が、沈降タンクに進み、そこで、しばらくとどまって、微生物を液体から沈降させ、それらを再循環して反応器に戻すことができることを必要とするからである。活性汚泥プロセスのさらに別の欠点は、それが、大量の余分な微生物を発生させ、それらの処分は、エネルギー集約的であり、費用がかかることである。

廃水の処理によって提示された問題のいくつかに対処するために、さまざまな膜技術が開発されている。たとえば、地方自治体廃水処理プラントに一般に見出される従来の二次沈降タンクに取って代わるために膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）が開発されている。このキャパシティにおいて、ＭＢＲは、本質的に、液体フィルタとして機能する。活性汚泥タンク内の水は透水性ＭＢＲ膜を通って引かれ、浮遊固体、バクテリア、およびほとんどのウイルスは保持される。バクテリアのためのフィルタとして作用することによって、ＭＢＲは、より高い微生物細胞保持時間および濃度、低減された余分な微生物の発生、およびより小さいプロセスフットプリントをもたらすなど、より多くの従来の沈降タンクに対するいくつかの利点をもたらす。

さらに、活性汚泥タンクに一般に使用される従来のエアスパージャに取って代わる可能性で、膜曝気バイオリアクタ（ＭＡＢＲ）が開発されている。これらのスパージャは、水中の有機汚染物質の酸化を引起す浮遊バクテリアに空気気泡（酸素を含有する）を送出するのに役立つ。ＭＡＢＲを使用して、微生物フィルムが不透水性気体透過性膜上に成長され、気体が膜を通って微生物フィルムに直接送出される。空気または別の酸素含有気体が膜を通って供給されると、結果として生じる微生物フィルムは、従来のスパージングタンクに典型的に見出されるものより広い多様性で、好気性および嫌気性タイプのバクテリアの両方を含むことができ、それにより、窒素および他の汚染物質の除去を向上させることができる。ＭＡＢＲは、また、微生物への酸素の送出のためのよりエネルギー効率的な手段であり、したがって、潜在的に、従来のエアスパージャより動作することが高価でない。酸素含有気体以外に、他の気体を水中の微生物に送出するためにＭＡＢＲ膜を使用してもよい。たとえば、微生物集団がメチロトローフ（ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃ）バクテリアを含む場合、メタンを含有する気体混合物が有利に使用されるであろう。

抽出膜バイオリアクタ（ＥＭＢＲ）は、廃水および廃ガス処理に用いられる第３の膜ベースの技術である。この適用において、膜は、流体から水性媒体中に、分解性水溶性有機分子を抽出するために使用される。抽出された有機成分は、水性媒体中または外部生物学的反応器内に配置された微生物によって処理される。

膜技術の他の適用としては、可溶性気体が、気体透過性膜の一方の側に配置された液体（たとえば、水）から、膜を横切ることによって、膜の反対側に配置された液体または気体中に抽出される液体脱気が挙げられる。液体脱気は、たとえば、超純水の生成に有用である。パーベーパレーションと呼ばれる同様のプロセスを用いて、選択的に透過性の膜の一方の側に配置された液体から揮発性有機化合物を抽出し、揮発性有機化合物は、膜を通り、反対側に配置された流体流中に進む。膜技術は、また、選択的に透過性の膜の一方の側に配置された最初乾燥した気体が、膜を横切る水蒸気の通過によって給湿されるようになり、水蒸気が膜の反対側に配置された液体水から生じる給湿のために用いられる。膜技術の別の適用は、選択的に透過性の膜の一方の側に配置された気体混合物の少なくとも１つの成分が、膜を通って輸送され、それにより、膜の反対側に配置された液体に溶解される液体気化である。

上述された流体膜デバイス、たとえば、ＭＢＲ、ＭＡＢＲ、および／またはＥＭＢＲは、一般に、次の膜構造、すなわち、管状、中空繊維、または平坦シート多孔性膜の１つを有する。平坦シート多孔性膜を、プリーツをつけられたカートリッジ、螺旋状に巻かれたモジュール、またはプレートアンドフレーム構成に組立てることができる。プレートアンドフレーム平坦シート膜モジュールが、典型的には、他のタイプの膜モジュールよりクリーニングすることが容易である。中空繊維膜とともに、プレートアンドフレームモジュールの一部として含まれる平坦シート多孔性膜が、廃水の処理に現在使用される膜構成の主な形態である。しかし、特に地方自治体および／または産業廃水処理に必要なより大規模の、水処理および廃水処理を助けることができる膜デバイスの必要が残る。

本発明は、成分を流体にまたは流体から移送するための膜モジュールを特徴とする。本発明のモジュールは、少なくとも２つの平坦シート膜要素であって、各要素が内側部分および外側部分を有する、平坦シート膜要素と、膜要素に取付けられた少なくとも１つの一次マニホルドとを含む。一次マニホルドは、膜要素の内側部分に連結され、それにより、流体（液体または気体、またはそれらの混合物）をこれらの内部領域にまたはこれらの内部領域から移送することができる。

本発明のさまざまな実施形態において、膜モジュールは、膜要素間の空間と、膜モジュールが、液体、たとえば水中に浸漬されると、気泡を膜要素間の空間に送出するための手段とをさらに含む。スペーサを使用して、隣接した膜要素を分離し、それらを一定の距離を離して所定位置に保持してもよい。典型的には、膜要素間の空間に送出された気泡は、サイズが約０．５ｍｍから約５０ｍｍ、より典型的には約１ｍｍから約１２ｍｍである。

本発明の一実施形態において、膜要素に取付けられた一次マニホルドは、流体を膜要素の内側部分にまたは膜要素の内側部分から運ぶ少なくとも１つの流体フローチャネルを含む。他の実施形態において、マニホルドは、膜要素間の空間への送出のため気体を運ぶ第２のフローチャネルをさらに含んでもよい。

さらに別の実施形態において、マニホルドは、膜モジュールの下から分配された気泡を受け、気泡を膜要素間の空間に送出することができる孔群を含む。任意に、マニホルドは、膜モジュールの下から分配された微細な気泡がともに組合されて、孔群を通って膜要素間の空間に入る大きい気泡を形成するように、孔群の下に配置されたＶ字形または角度をつけられたチャネルを含んでもよい。あるいは、孔群は、一次マニホルドのフローチャネルから膜間空間に分配される気泡の通過を考慮してもよい。

モジュールは、任意に、好ましくは膜要素の反対の端部に位置決めされた第２の一次マニホルドを含んでもよい。第２の一次マニホルドは、膜要素間の空間に送出された気泡を分散させ、それにより、気泡がモジュール内に集まることを防止するように構成してもよい。たとえば、第２の一次マニホルドは、気泡が分散することを可能にするために、孔群を収容するか、斜めに切られたまたは角度をつけられた形状を有してもよい。

特定の実施形態において、モジュールは、また、一次マニホルドに連結され、流体を一次マニホルドにおよび／または一次マニホルドから送出する少なくとも１つの二次マニホルドを含む。

本発明の膜モジュールをさらに組立てて、膜カセットを形成してもよい。膜カセットは、ともに連結された少なくとも２つの膜モジュールを含む。膜モジュールの構成要素を支持し保護し、それらを所定位置に保持するフレームで、カセットを収容してもよい。

使用される特定の膜要素によって、膜カセットをさまざまな用途に使用することができる。たとえば、濾過膜要素、または選択的な物質移動のために設計された膜要素を含むカセットを、地方自治体、産業、または住宅（腐敗）廃水処理施設（たとえば、ＭＢＲ、ＭＡＢＲ、またはＥＭＢＲのような）に、携帯水または超純水の生成のための施設に、または、１つの流体の成分が選択的に透過性の膜を通って第２の流体に移送される、もしくは、流体混合物の成分が、流体が選択的に透過性の膜を通るときに濃縮され、膜の下流で前記成分がより少ない流体混合物の生成をもたらす、いかなる他の用途にも使用することができる。

本発明の他の特徴および利点は、次の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかであろう。

定義
「流体」とは、液体または気体、またはいかなるそれらの混合物も意味する。「流体」は、また、浮遊固体を含有してもよい液体混合物を意味するように使用される。

「膜要素」とは、選択的に流体透過性の膜によって分けられた内部空間および外部空間を規定する膜構造を意味する。

「膜構造」は、膜が、膜を通る流体混合物の少なくとも１つの成分の選択的な輸送を可能にし、他の成分の輸送を選択的に排除するように、または、第１の流体混合物Ａの少なくとも１つの成分を、膜を横切って、膜の反対側に配置された第２の流体混合物Ｂに輸送することができ、流体混合物Ａ中への流体混合物Ｂの少なくとも１つの成分の輸送を伴わないように、支持体上の膜（または、そうでなければ自立している膜）を有することを意味する。

「平坦シート膜要素」とは、任意に、流体送出または収集層として作用する支持体プレートと、１つまたは２つの選択的に流体透過性の平坦シート膜とを含む膜要素を意味する。

「平坦シート」は、１つまたは複数の連続表面を有する、広い、実質的に平坦なマスである、シートの形態の構造を有することを意味する。

「膜モジュール」とは、１つ以上の共通一次マニホルドに好ましくは永久的に連結された２つ以上の膜要素のアセンブリを意味する。

「膜カセット」とは、膜要素の内部へのおよび／または膜要素の内部からの流体の搬送のためにまとめてマニホルド化された（ｍａｎｉｆｏｌｄｅｄ）２つ以上の膜モジュールを含む一体化アセンブリを意味する。任意に、膜カセットは、気泡の発生、および／または制御された液体流のための、ならびに、一次マニホルドおよび任意に二次マニホルドを介する、膜要素へのまたは膜要素からの液体および／または気体送出をもたらすための、付加的なアセンブリを有してもよい。

「マニホルド」とは、２つの位置の間の流体の搬送を可能にする構造を意味する。

「一次マニホルド」とは、各膜要素の内側部分へのまたは各膜要素の内側部分からの流体の搬送を提供するために１つ以上の膜要素に連結されたマニホルドを意味する。

「二次マニホルド」とは、一次マニホルドの内部へのまたは一次マニホルドの内部からの流体の搬送を提供するために少なくとも１つの一次マニホルドに連結されたマニホルドを意味する。

「マニホルド化された」とは、マニホルドを介して、２つ以上の構造要素、たとえば膜要素の間に形成された連結または取付けを意味する。

「流体連結」とは、２つ以上の構成要素またはコンパートメントが、それらの間の流体の通過を可能にするように連結されることを意味する。

本発明は、成分を流体にまたは流体から選択的に移送するために使用することができる一体化膜アセンブリを提供する。より詳細には、本発明は、共通マニホルドに取付けられた２つ以上の膜要素を含む膜モジュールを特徴とする。２つ以上の膜モジュールを組合せて、さまざまな液体濾過および流体送出用途に有用な一体化膜カセットを形成することができる。特に、濾過プロセス、浄化プロセス、および／または他の水もしくは廃水処理プロセスを助けるために、これらのカセットを水または他の流体のタンク内に配置することができる。

本発明による例示的な膜モジュール１が、図１および図２に示されている。膜モジュール１は、複数の平坦シート膜要素２を含み、これらの各々が共通一次マニホルド４に取付けられる。この一次マニホルド４は、気泡を平坦シート膜要素２間の空間８に提供するための孔群６を有してもよい。一実施形態において、図１Ａに示されているように、膜要素２は、外側膜表面１６と、内部空間１８とを有する。一次マニホルド４は、平坦シート膜要素２の各々の内部空間１８に連結され、それにより、流体をこれらの内部空間１８に送出するか除去することができる。膜要素の内部通路内へのまたは膜要素の内部通路からの流体の漏れを防止するために、マニホルド４に連結されてない膜要素の端縁のすべてが、好ましくは、たとえば感圧接着剤テープでシールされる。あるいは、端縁を、他の方法によって、たとえば、熱接合、超音波接合、無線周波接合、接着剤接合、または接着剤シールの付与、適切なマイクロ波サセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）を使用するマイクロ波処理、または上で挙げられた方法の組合せによってシールしてもよい。形成されたシールが、好ましくは、実質的に不透水性であり、構造的に健全であるという条件で、いかなる方法を用いて、一次マニホルドに連結されていない膜要素の端縁をシールしてもよい。

本発明の膜モジュールおよび膜カセットでの使用に適したさまざまな平坦シート膜要素がある。たとえば、米国特許出願第１０／０１７，６３２号明細書、同第１０／４３７，７９９号明細書、および同第１０／４３８，０９０号明細書は、すべて、ともにマニホルド化して本発明による膜モジュールを作ってもよい平坦シート膜を記載している。特定の実現例において、膜要素は、ＭＢＲ、ＭＡＢＲ、またはＥＭＢＲタイプ膜である。典型的なＭＢＲ膜要素は、透水性微孔性膜を含む。これらの膜は、膜要素の外壁を形成し、水が通って膜要素の内部通路内に進むことを可能にする。透水性によって、膜はバクテリアおよびほとんどの粒子を阻止し、したがって、水は、膜壁を通って膜要素の内部通路内に進むときに濾過される。

ＭＡＢＲ膜要素は、微生物フィルムを成長させるのに有用である。微生物は、水中の不要な物質を消費し分解することによって水処理を助ける。ＭＡＢＲは、一般に、気体透過性であるが不透水性である膜を含む。微生物フィルムは、膜の外面上に成長され、空気または別の気体が、膜要素の内部領域から、膜壁を通って、膜の外面上に成長する微生物フィルム内に直接進むことによって、微生物に送出される。気体も、たとえば膜要素を連結する一次マニホルドによって膜要素間の空間に送出された気泡によって、膜上に成長する微生物フィルム、および／または膜間の水中に浮遊した微生物に供給してもよい。さらに、膜要素間の空間に送出された気泡は、それらが膜要素間に上昇するときに余分な微生物材料を除去することによって、膜上に成長された微生物フィルムの厚さを制御するのに役立ってもよい。しばしば、膜間の空間に送出される気体は空気であり、というのは、空気は、微生物によって必要とされる酸素を含有し、送出するのが安価であるからである。

一次マニホルド４の断面図が図３に示されている。一次マニホルド４は、膜要素を受けるためのスロット２４を含み、また、流体を膜要素の内部通路にまたは膜要素の内部通路から搬送するために使用される主要フローチャンバ２０を収容する。ＭＢＲ膜要素がモジュールに使用される場合、主要フローチャンバ２０は、一般に、膜要素が膜の外側からの液体（たとえば、水）を濾過するとき、膜要素の内部空間から流体を受けているであろう。ＭＡＢＲ膜要素がモジュールに使用される場合、チャンバ２０を、気体を受けるか気体を膜の内部空間に送出するように構成することができる。孔群６を収容する二次フローチャンバ２２の集まりが、気泡を膜間の空間に送出するために使用される。

本発明の一実施形態において、一次マニホルドのチャンバへのまたは一次マニホルドのチャンバからの液体および／または気体の搬送を提供するために、二次マニホルド１０が一次マニホルド４の各側に連結される（図１および図２を参照のこと）。二次マニホルド１０は、一般に、流体源または容器に連結するための取付具１４を有する。膜モジュールが二次マニホルドを有さない実施形態において、図１４Ａおよび図１４Ｂに示されているように、取付具１４は、一次マニホルドに直接取付く。

図４Ａおよび図４Ｂに示されているように、モジュールは、流体を一次マニホルド４のチャンバに送出するための２つの別個の二次マニホルド１０ａ、１０ｂを含んでもよい。たとえば、一方の二次マニホルド１０ａが、それを一次マニホルド４の主要フローチャンバ２０に連結する一連の穴３６ａを有し、他方の二次マニホルド１０ｂが、それを一次マニホルド４の二次フローチャンバ２２に連結する一連の穴３６ｂを有する。このように、二次マニホルド１０ａ、１０ｂは、必要に応じて、一次マニホルド４のフローチャンバ２０、２２に、別個の流体を供給することができる。

２つ以上の膜モジュールを一体化させて膜カセットを形成することができる。３つの膜モジュール１ａ、１ｂ、および１ｃから構成される例示的な膜カセットが、図６に示されている。カセットは、また、膜要素、ならびに、流体を膜要素の内部におよび／または膜要素の内部から搬送するための手段を提供する一次マニホルドおよび二次マニホルドを含む、膜モジュールの他の構成要素を支持するフレームを含んでもよい。図１０は、どのようにモジュール３０をフレーム３２内に隔置してよいかを示す。さらに、フレームは、流体を一次マニホルドおよび二次マニホルドにおよび／または一次マニホルドおよび二次マニホルドから搬送する手段、ならびに、膜要素間の規定された空間を維持するためのデバイス、膜スカーリングのための空気気泡を発生させるための設備、ウォータージェット、および／または膜要素間の水および／または気泡の運動を向けるためのケーシングパネルを含む、膜モジュールと関連して使用してもよい他のデバイスを支持してもよい。本発明の一体化膜カセットは、大量の廃水を処理するのに適しており、廃水処理プラントに容易に配置することができる。

本発明のデバイスのマニホルド、膜要素、フレーム、および他の構成要素を製造するための方法は、周知である。膜モジュールまたは膜カセットのさまざまな構成要素を、いかなる適切な材料から構成してもよく、接合方法のいずれかまたは組合せ、好ましくはモジュール構成要素間の水密シールを作るものを用いて、ともに組立てることができる。

本発明のいくつかの実現例において、膜要素は一次マニホルドに永久的に取付けられる。さまざまな方法を用いて、膜要素を一次マニホルドのチャンバに連結することができる。図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、１つの方法は、シーラントのビーズ２６ａ、２６ｂを、膜要素２の外面上に、マニホルド４に連結されるべき端部において付与することである。主要流体フローチャンバ２０に隣接して、マニホルド４は、膜要素２を受入れるための適切な寸法を有するスロット２４を有する。膜要素２がマニホルド４上のスロット２４内に配置されると、シーラント２６は膜要素２を一次マニホルド４に接合し、好ましくは水密シールを作る。あるいは、膜要素をマニホルドのスロットに挿入することができ、その後、シーラントラインを膜要素とマニホルドとの間の交差部分において付与することができる。好ましいシーラントは、組立ての間パーツの整列および調整を提供するのに十分に長い可使時間を有し、組立ての間固定（ｆｉｘｔｕｒｉｎｇ）時間を最小にするのに十分迅速に強度を取扱うようにセットし、膜表面に付与されるとビーズの形状を維持することを可能にするのに十分に高いが、合されるパーツ間の容積内に流れ、容積を充填し、実質的に水密シールを提供するのに十分に低い粘度を有し、膜要素の外面およびマニホルドに接合されると高い剥離強度を示し、合されるパーツが曲げられた場合に亀裂を防止するようにセットされると十分に可撓性であり、実質的に不透水性であり、水中で実質的に劣化せず弱くならない。適切なシーラントの例は、商品名３Ｍ（登録商標）スコッチウェルド（ＳＣＯＴＣＨ−ＷＥＬＤ）（登録商標）ＤＰ−１０５クリア・エポキシ・アドヒーシブ（Ｃｌｅａｒ Ｅｐｏｘｙ Ａｄｈｅｓｉｖｅ）で、３Ｍカンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ）（ミネソタ州セントポール（Ｓｔ． Ｐａｕｌ， ＭＮ））から入手可能な二液性メルカプテン（ｍｅｒｃａｐｔｅｎ）エポキシ接着剤であり、これは、４分の可使時間、２０分の強度を取扱う時間、２７℃における１〜５ｋｇ／（ｍ^*ｓ）のベース粘度、および２７℃における８〜１６ｋｇ／（ｍ^*ｓ）の促進剤粘度、ポリプロピレン上の６．９ｋＰａの重なり剪断強度（ＡＳＴＭ Ｄ １００２−７２）、および硬化後の１２０％の伸び（ＡＳＴＭ Ｄ ８８２）を有する。使用してもよい代替シーラントとしては、エポキシ接着剤、ポリウレタン接着剤、ポリエステル接着剤、アクリル接着剤、シリコーン接着剤、および他の溶剤ベースのまたは熱硬化されるシーラント、接着剤、およびポッティング化合物を含むものが挙げられる。

膜要素２を、一度に１つずつマニホルド４にシールしてもよいし、それらをマニホルド４のスロット２４内に同時に配置して、膜要素のより良好な整列を確実にするのを助けてもよい。複数の膜要素２の、マニホルド４の複数のスロット２４への同時の挿入を行う１つの方法は、最初、図５Ａおよび図５Ｂに示されているような交互の膜要素２およびスペーサプレート４０のスタックを構成することである。スペーサプレート４０は、いかなる適切な材料から製造してもよく、典型的には、交互のスタックの膜要素２の中心から中心までの間隔がマニホルド４のスロット２４の中心から中心までの間隔に実質的に等しいような適切な厚さを有する。次に、シーラントのビーズ２６ａ、２６ｂを複数の膜要素に付与し、その後、マニホルド４を膜要素２およびスペーサプレート４０の交互のスタックの方に移動させ、それにより、複数の膜要素２の端部がマニホルド４のスロット２４に同時に挿入され、すると、シーラント２６は膜要素２をマニホルド４に接合する。次に、スペーサプレート４０を膜要素２間の空間から取外す。他の手段を用いて、膜要素２の良好な整列を確実にしながら、膜要素２の、マニホルド４への接合を促進することができる。たとえば、膜要素を、水平表面に配置された１組の平行なスロットを通して垂直に挿入することができ、水平表面のスロットは、適切な間隔を有し、かつ、膜要素が一次マニホルドのスロット内に案内されるように一次マニホルドの上に配置される。多くの取付具および装置を、膜要素の、一次マニホルドへの接合を助けるために考案することができる。用いられる方法および装置が、膜要素とマニホルドとの間の水密シール、高速の製造、および膜要素の良好な整列をもたらすことが望ましい。

上述されたように、本発明の膜要素は少なくとも１つの共通マニホルドに取付けられ、いくつかの実施形態において、膜要素を１つを超える一次マニホルドに取付けてもよい。一次マニホルドを膜要素の端縁のいずれ（すなわち、上部、底部、左側、または右側）に取付けてもよい。マニホルドに取付けられた膜要素の１つまたは複数の端縁は、流体がマニホルドのフローチャネルにまたはマニホルドのフローチャネルから進むことを可能にするために、膜要素の内側部分に対して開いていなければならない（すなわち、シールされない状態でなければならない）。

膜要素を、モジュールまたはカセットのいかなる側に平行であるように配列してもよい。膜要素をモジュールまたはカセット内に垂直にまたは水平に配列してもよいが、垂直配列は、一般に、より容易なメンテナンスおよびクリーニングを提供する。たとえば、図１２は、膜要素が、垂直配列のモジュール（１ａ−１ｊ）の上部および底部でマニホルド化され、カセットの短い側に平行に整列される膜カセットの実施形態を示す。図１３は、膜要素が、垂直配列のモジュール（１ａおよび１ｂ）の１つの側でマニホルド化され、カセットの長い側に平行に整列される実施形態を示す。これらは、モジュールおよびカセット内の膜要素の多くの可能な配列の少しだけを示す。

図１および図２に示された膜モジュールは、１つの一次マニホルドのみを有し、したがって、「デッドエンド」ジオメトリと呼ばれるものを所有する。流体が、１つの一次マニホルドを通るだけで、または膜自体を通ることによって、膜の内部内にまたは膜の内部内から流れてもよい。しかし、代替実施形態において、モジュールは、「フロースルー」ジオメトリと呼ばれるものの、典型的には膜要素の反対の端部に連結された、第２の一次マニホルドを有してもよい。フロースルー配列では、各膜要素は、一般に膜要素の両端に配置された２つの一次マニホルドと流体連結する。

デッドエンド構成は、一次マニホルドが、膜を透過して膜要素の内部に入る液体の除去を提供するＭＢＲに特に有用である。デッドエンド構成を、また、一次マニホルドが、圧力下における膜要素の内部への気体の送出を提供し、気体の唯一の出口が、膜を通る輸送であるＭＡＢＲのために使用することができる。フロースルー構成は、気体が上流一次マニホルドから下流一次マニホルドまで膜要素を通って搬送され、入力気体の一部のみが膜を通って輸送され、残りが下流一次マニホルドを通って排出されることが望ましいＭＡＢＲに有用である。

フロースルー設計の一実施形態において、図８および図１０に示されているように、１つの一次マニホルドが膜要素のベースに配置され、第２の一次マニホルドが上部に配置される。図８は、２つの共通一次マニホルド４ａおよび４ｂに取付けられた膜要素２を含む膜モジュールを示す。底部一次マニホルド４ａは、膜要素２間の空間への気泡の送出のためのフローチャンバ２２および孔群６を含む。いくつかの実現例において、膜モジュールが互いの上に垂直に積重ねられる場合、または気泡がモジュールの下から発生される場合など、底部マニホルドのフローチャンバは、また、チャンバの反対（底部）側の孔群を有してもよい。モジュールの上部に配置されたマニホルドを、モジュールのベースに配置された一次マニホルドによって膜要素間の空間内に送出された上昇気泡を分散させるために適合させてもよい。たとえば、モジュールの上部におけるマニホルドは、二次チャンバの孔群６を有し、それらが上昇気泡を受けることを可能にし、気泡がモジュール内に集まらずにマニホルドを通ることを可能にしてもよい。図８は、気泡がマニホルド４ｂを通り、したがって、膜モジュールから逃げることを可能にするために、どのように上部マニホルド４ｂが孔群またはスロット４２を含んでもよいかを示す。図７Ａおよび図７Ｂは、また、空気気泡がマニホルドを完全に通ることを可能にする貫通スロット４２を有するマニホルド４を示す。代替実施形態において、上部マニホルドは、図１４Ａ、図１４Ｂ、および図１５に示すような、斜めに切られたまたは角度をつけられた形状を有してもよい。上昇気泡がマニホルドと接触すると、角度をつけられた形状は気泡をモジュールの側部に向け、それにより、気泡がデバイス内に集まることを防止する。

一次マニホルド自体を、気泡を膜モジュールの膜要素間の空間に送出するように構成してもよいが、あるいは、モジュールまたはカセットが、気泡を発生させるための別個のデバイスを含んでもよい。空気気泡を膜要素に提供するための手段が、たとえば、米国特許第５，１９２，４５６号明細書および米国特許第６，２９４，０３９号明細書に記載されている。気泡を膜要素間の空間に送出するための１つの目的は、膜の気泡スクラビングのためである。スクラビングは、気泡が、カセットを通って上方に上昇し、隣接した膜要素の間を通るときに生じる。上昇気泡が、上昇するときに隣接した膜の両方に同時に衝突し、膜表面において十分な剪断力を生じさせて、蓄積された付着物（ｆｏｕｌａｎｔｓ）を除去するような、最適な気泡サイズを得ることが望ましい。

いくつかの用途において、同じモジュールまたはカセット内で微細な気泡（処理されている水への酸素移送のため）および粗大な気泡（膜スクラビングのため）の両方を提供することが望ましい。これは、微細な気泡（サイズが直径約０．５ｍｍから約５ｍｍである）が酸素を水中の微生物に移送するのに効果的であり、より大きい気泡が、しばしば、膜の気泡スクラビングにより効果的であるので、しばしば有利である。図９は、微細な気泡４６および粗大な気泡４８の両方を提供するように構成された例示的な膜モジュールの、底部一次マニホルド４、および膜要素２の下部部分の断面図を示す。微細な気泡４６は、周知のさまざまな手段のいずれかによって、膜モジュールの下から分配される。マニホルド４のＶ字形または斜めのチャネル４４が、微細な気泡４６を組合せてより大きい気泡４８にし、それらは、マニホルド４の孔群６を通って膜要素間２の空間８に導入される。

膜モジュールが膜要素の側部でマニホルド化された、図１３に示されたような配列において、膜要素の上部および底部は、専用気体供給デバイス（図示せず）による気泡送出のために自由である。膜要素に対する気体供給デバイスの深さを用いて、膜に衝突する気泡の平均サイズを調整することができる。さらに、気泡と膜との間の接触の前に、微細な気泡を組合せて制御されたサイズの粗大な気泡にする目的のため、１組の角度をつけられたバッフルなどの、気泡を組合せる手段を、空気送出マニホルドと膜の底部との間に配置することができる。

本発明の特定の実施形態において、パネルまたは平坦シート膜要素を実質的にまっすぐに保ち、適切なパネルからパネルまでの間隔を維持することが望ましい。これは、たとえば、マニホルドの端部に張力を加えることによって行うことができる。張力は、タイロッド、または、マニホルド化されたパネルを隔置しおよび／またはともに保持するフレーム内の構造的構成要素によって維持することができる。このタイプの張力かけを、マニホルド化されたまたはマニホルド化されていない端部で行うことができる。

あるいは、図１〜２ならびに図１６Ａおよび図１６Ｂに示されているように、スペーサを使用して、パネルを離して保持することができる。隣接した膜要素２の間の空間８内に部分的に延在する、一定の幅の突出部を有する端縁スペーサ１２（図１および図２を参照のこと）を、いかなる適切な材料から構成してもよく、たとえば、適切な接着剤を使用する接合によって、膜要素２の端縁に取付けてもよい。あるいは、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されているように、別々のスペーサ３８を、隣接した膜要素２の間の空間８内に配置してもよい。別々のスペーサ３８は、いかなる形状を有してもよく、いかなる適切な材料から構成してもよく、隣接した膜要素２の間のほぼ均一なかつ一定の距離を維持する目的のため一定の厚さを有してもよい。膜要素２の製造の間、および／または、それらの、マニホルド化された膜モジュールへの組立て前、たとえば適切な接着剤を使用して、別々のスペーサ３８を膜要素２の少なくとも１つの外側膜表面１６に取付けてもよい。隣接した膜要素２の間のほぼ均一なかつ一定の間隔を維持するというそれらの目的を条件として、別々のスペーサ３８が、サイズが比較的小さく、最小の量で使用されることが、特定の実施形態に望ましく、というのは、それらの存在が、それらが接合される選択的に流体透過性の膜表面の部分を、流体移送の目的に使用不能にすることがあるからである。

流体を、一次マニホルド内に直接、または一次マニホルドに取付けられた二次マニホルドを介して、マニホルドのチャンバ内にまたはマニホルドのチャンバから送出するための手段は、さまざまであり、周知であり、加圧容器、ポンプ、および／または流体ヘッド圧力差の使用を含む。

本発明をいくつかの実施形態に関して説明した。特定の実施形態の先の説明は、本発明を例示するために提供され、その範囲を限定することは意図されない。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態に多くの変更を行うことができることが、当業者には明らかであろう。

膜要素の断面図（１Ａ）を含む、「デッドエンド」構成を有する膜モジュールの概略図である。 膜モジュールの別個の構成要素を示す概略図である。 複数の膜要素を連結するのに有用な例示的な一次マニホルドの断面図を示す概略図である。 ２つの二次マニホルドの、一次マニホルドのチャンバへの取付けを示す概略図である。 ２つの二次マニホルドの、一次マニホルドのチャンバへの取付けを示す概略図である。 膜要素の、一次マニホルドのチャンバへのシーリングを示す図である。 膜要素の、一次マニホルドのチャンバへのシーリングを示す図である。 ともに組立てられて一体化膜カセットを形成する膜モジュールのグループを示す概略図である。 （Ａ）膜要素に取付く側、および（Ｂ）膜要素に取付く側と反対の側からの異形押出一次マニホルドを示す図である。 膜要素の一方の端部への、および反対の端部からの流体の流れを可能にするために、２つの一次マニホルドを含む、「フロースルー」配列を有する膜モジュールの断面図を示し、一次マニホルドは、膜要素間の空間内に導入された気泡が、上部においてモジュールから逃げることを可能にするように構成される。 膜モジュールの下から分配された微細な気泡を組合せて、マニホルドの孔群を通って膜要素間の空間に入る、より大きい気泡にするように設計された膜モジュールの底部部分の断面図を示す。 「フロースルー」設計を有する２つの膜モジュールを含む膜カセットの組立てを示す図である。 支持フレームの内側の完全に組立てられた膜カセットを示す図である。 膜要素が垂直に装着され、膜がカセットの短い側に平行である膜カセットの概略図である。カセットは、１０の「フロースルー」膜モジュールを有し、各モジュールは、モジュールの上部および底部において一次マニホルドに取付けられた平坦シート膜要素を含む。 膜要素が垂直に装着され、膜がカセットの長い側に平行である膜カセットを示す概略図である。カセットは、２つの「デッドエンド」膜モジュール（すなわち、一方の側のみでマニホルド化された）を有し、各モジュールは、モジュールの側部に配置されたマニホルドに取付けられた平坦シート膜要素を含む。 上昇気泡が膜モジュールの側部において逃げることを考慮するために、モジュールの一端（たとえば、上部）に配置された斜めに切られた一次マニホルドを有する膜モジュールを示す概略図である。 上昇気泡が膜モジュールの側部において逃げることを考慮するために、モジュールの一端（たとえば、上部）に配置された斜めに切られた一次マニホルドを有する膜モジュールを示す概略図である。 気泡の分散を促進するための斜めに切られた上部一次マニホルドと、２つの二次マニホルドに取付けられた、モジュールのベースに配置された一次マニホルドとを有するフロースルータイプ膜モジュールを示す図である。 膜要素の側縁に配置された端縁スペーサと、隣接した膜要素の間の空間内に配置された別々のスペーサとを含む膜モジュールの上面図（Ａ）および正面図（Ｂ）をそれぞれ示す図であり、これらのタイプのスペーサの両方が、膜要素間の均一な間隔の維持を助ける。

Claims (12)

1. 成分を流体にまたは流体から移送するための膜モジュールであって、
   ａ）少なくとも２つの平坦シート状の膜要素であって、各々が内側部分および外側部分を有し、個々の膜要素の間に空間を存する平坦シート状の膜要素と、
   ｂ）前記膜要素に永久的に取付けられる少なくとも１つの一次マニホルドであって、前記膜要素の前記内側部分に流体連結され、気泡を前記膜要素の間の前記空間に送出するための手段を有する一次マニホルドと、
   を具備する膜モジュール。
2. 前記一次マニホルドは、流体を前記膜要素の前記内側部分にまたは前記内側部分から運ぶ少なくとも１つの流体フローチャネルを有する、請求項１に記載の膜モジュール。
3. 前記一次マニホルドは、前記膜要素の間の前記空間へ送出するために流体を運ぶ第２のフローチャネルをさらに有する、請求項２に記載の膜モジュール。
4. 前記流体が気体を含む、請求項３に記載の膜モジュール。
5. 前記一次マニホルドは、前記膜モジュールの下から分配された気泡を受けて該気泡を前記膜要素の間の前記空間に送出するための孔群を有する、請求項２に記載の膜モジュール。
6. 前記一次マニホルドは、前記膜モジュールの下から分配された微細な気泡を集めて組合せることにより、前記膜要素の間の前記空間へ送出するための、より大きい気泡を形成するＶ字形または有角のチャネル群をさらに有する、請求項５に記載の膜モジュール。
7. 前記膜要素の反対の端部に位置決めされる第２の一次マニホルドを具備し、該第２の一次マニホルドが、前記膜要素の内側部分に流体連結される、請求項２に記載の膜モジュール。
8. 前記第２の一次マニホルドは、前記気泡が分散することを可能にするために穴をあけられており、それにより、前記気泡が膜モジュール内に集まることを防止する、請求項７に記載の膜モジュール。
9. 前記第２の一次マニホルドは、前記気泡が分散することを可能にするために斜めに切られるか角度をつけられており、それにより、前記気泡が膜モジュール内に集まることを防止する、請求項７に記載の膜モジュール。
10. 少なくとも１つの一次マニホルドに流体連結される少なくとも１つの二次マニホルドをさらに具備する、請求項１に記載の膜モジュール。
11. 前記一次マニホルドの前記流体フローチャネルに流体連結される二次マニホルドをさらに具備する、請求項２に記載の膜モジュール。
12. 請求項１に記載の膜モジュールを少なくとも２つ備える膜カセット。

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