JP5243803B2 - 磁場および磁場傾斜改善ろ過用装置 - Google Patents

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本出願は、全ての目的についてその一部として全体が援用される２００５年２月１７日出願の米国仮特許出願第６０／６５３，７０２号明細書遡及の特典を請求するものである。

本発明は、磁場および傾斜磁場改善ろ過装置に関する。

固液分離は広く用いられており、鉱物の固液混合物からの大量分離から、バイオテクノロジーまたは製薬工業における高価な製品の小バッチの分離まで及ぶ。重力、圧力、温度、遠心分離および流体力学は、過去５０年にわたって従来の固液分離の主要な態様となっている。従来の固液分離は、一般的に、２つの主たる工程からなる。第１の工程において、固体微粒子は、圧力の印加により液体から分離される。圧力は、ピストンによる圧力、ガス圧力、静水圧、重力圧、遠心圧力またはこれらの組み合わせを機械的に印加する手段により適用してもよく、液体がろ過器を通過し、固体はろ過器に保持される。遭遇する１つの問題は、固体がろ過器を「破過する」、すなわち、通過する結果として、固体が失われることである。さらに重大な問題は、機械的分離工程では完全な分離とならないことである。これには第２の工程、熱乾燥プロセスが必要である。

熱乾燥プロセスは、機械的工程に比べ１００〜２００倍の規模でエネルギーが効率が非常に低い。大量の材料が毎年処理されるため、より効率的な機械的固液分離を行うと、下流乾燥の必要性を減じることにより、全体のエネルギー消費が大幅に減少する。熱乾燥が、世界的な合計エネルギー消費の大部分を占めるため、これは、エネルギー消費に影響する。

その他の固液分離には、液体、例えば、水の固体からの精製が含まれる。

場合によっては、高傾斜磁場分離を用いて、特定の磁気固体が液体中固体の混合物から分離されている。

本発明の目的は、より効率的かつ迅速な固液分離を行うろ過装置を提供することである。

本発明の一実施形態は、（ａ）固液混合物に圧力を加える手段と、（ｂ）固液混合物に均一磁場、傾斜磁場または両方を、ケークろ過が生じる装置の領域の一部または全てに印加する手段とを含んでなる、磁気粒子を含有する固液混合物のケークろ過固液分離用装置を提供する。固液混合物に、ケークろ過が生じる装置の全領域において、均一磁場、傾斜磁場または両方が印加されるのが好ましい。固液混合物に、均一磁場、傾斜磁場または両方を印加する手段は、ケークろ過が生じる装置の領域の内部または外部にソレノイドまたは永久磁石を含む。

≧０．０１Ｔの磁界の強さを備えた磁場がこの装置に有用であることが分かっている。≧１Ｔ／ｍの傾斜磁場がこの装置に有用であることが分かっている。

本発明の他の実施形態は、磁気粒子を含有する固液混合物のクロスフローろ過固液分離、またはキャンドルろ過固液分離用装置であって、ろ過が生じる装置の領域に傾斜磁場を提供する手段を含む。傾斜磁場は好ましくは≧１００Ｔ／ｍである。最も好ましくは、高磁場傾斜、すなわち、≧５０００Ｔ／ｍの傾斜である。傾斜磁場を与える手段は、ろ過が生じる装置の領域内に配置された１つもしくはそれ以上の磁気鋼線または棒を含む。

本発明の装置は、固液混合物が強磁性、常磁性または反磁性固体を含有する場合、固液混合物が強磁性または常磁性粒子でシーディングされるときに適用できる。本装置はまた、磁気粒子を分離すべき固体に付加する場合、すなわち、「機能性磁気ビーズ」を用いるときにも適用できる。

従来のケークろ過プロセスは圧力を用いて固液混合物を分離する。固液混合物を提供する手段を与えて、プロセスを行う。かかる手段は機械的手段であってよく、例えば、機械的圧力、ガス圧力、静水圧、流体力学上の圧力および重力圧またはこれらの組み合わせが挙げられる。

固液混合物に圧力を加えると、固体微粒子がろ材により阻止される結果、図１に示すとおり、ろ過ケークの蓄積となる。図１に、固体２−液体３混合物およびろ材４を含有する容器１を示す。圧力を固液混合物に適用して、混合物の上部の圧力が、ろ材の圧力をΔｐ量超えるようにする。ろ過の影響は、ろ材によるばかりでなく、ろ材のポアの上部に橋５を架ける粒子にもよる。固体の製品特有の容積濃度が超えない場合には、橋架けが生じず、粒子はろ材を流れて、ろ液となる。ろ材を流れる製品の損失は、高価な製品、例えば、生物製品にとっては特に悪影響があるため、これは避けられなければならない。

粒子の橋ができたら、ろ材でろ過ケークの高さが大きくなり始める。ろ過ケーク高さが増大するにつれて、ろ過ケーク抵抗性も対応して増大する。これは、多孔性システムを通る液相の耐フロー性もまたろ過時間と共に増大することを意味する。

ケーク蓄積の機構を理論的に説明する単純モデルが開発されている。開発されたモデルは、多孔性システムを流れる１相についてのダルシー（Ｄａｒｃｙ）式から誘導される。古典的なケーク蓄積の式は以下の一次方程式により表される。

式中、
ｔ：ろ過時間
Ｖ_Ｌ：ろ過容積
η_Ｌ ：液相の粘度
ｒ_ｃ：ケーク比抵抗
κ：濃度パラメータ
Δｐ：圧力差
Ａ：ろ過器面積
Ｒ_ｍ：ろ材抵抗

式（１）を単純にするために、２つの変数（ａ）および（ｂ）を次のように定義する。

および

式（２）および（３）を式（１）と置き換えると、以下の単純化された一次方程式となる。

式（４）において、傾き（ａ）はケーク比抵抗に直接比例しており、ｙ軸切片（ｂ）はろ材抵抗に直接比例している。式（４）から、単純ケークろ過実験を設計することができ、その結果によって、ｔ／Ｖ_Ｌ対Ｖ_Ｌ図が得られる。傾きの減少は、高速なケーク蓄積反応速度に直接関係している。

ケークろ過プロセスのはじめには、ろ液は透明でないことが多い。固体粒子の大部分がろ材を通過するためである。大抵の工業鉱物分離プロセスにおいて、鉱物材料の値、すなわち、単位質量当たりのコストが比較的低いため、これは容認される。しかしながら、ろ液中の材料の損失が許されない高価な材料を処理するときは、この状況の経済は、大きく異なる。例えば、タンパク質、ＤＮＡプラスミドまたは細胞等の標的生物材料に付加する「機能性磁気ビーズ」の処理については、材料の損失は、かかる材料は１ｋｇ当たり１００，０００ドル以上であるため、経済的に重大である。「機能性磁気ビーズ」は、表面を標的生物材料に結合することが知られている生物または化学構成要素で処理することにより「機能性」のある磁気粒子である。均一な磁界を印加すると、ろ液に対する材料の損失が減少する。これは、凝集の影響に主によるものと考えられる。

本発明は、ケークろ過固液分離用装置を提供する。本装置は、固液混合物の、ケークろ過が生じる装置の少なくとも一部の領域に、均一磁場、傾斜磁場または両方を印加する。経済的に可能なときは、固液混合物に、ケークろ過が生じる装置の全領域において、均一磁場、傾斜磁場または両方が印加されるのが好ましい。固液混合物に、ケークろ過が生じる装置の一部分のみにおいて、均一磁場、傾斜磁場または両方が印加されるときは、その部分を固液供給入口に近接させるのが好ましい。一実施形態において、例えば、ケークろ過と組み合わせて振動磁場を用いる。

従来のケークろ過構成に加えて、固液分離用装置は、ドラムろ過器、円盤型ろ過器、ベルトろ過器、キャンドルろ過器、クロスフローろ過器または分離のためにケークろ過に頼るその他の型の装置の形態を採ることができる。

磁気粒子を含有する固液混合物に均一磁場を印加した結果である改善された性能は、混合物内および／またはろ過ケークの多孔性構造内の構造上の変化によるものである。均一、すなわち、一定の磁場は、磁気粒子を一列または非一列とすることのできるトルクを与える。このように、印加された均一磁場は、固液混合物およびろ過ケーク、すなわち、ろ過器プラスろ過器に保持される固体の構造を変える。固体粒子は、磁場の存在下で凝集する。粒子が凝集すると、有効直径が増加する。固体微粒子が液体媒質中で沈降するのに要する時間は、微粒子直径の平方の逆数に比例する。従って、粒子の凝集の結果、固液分離の時間が減じる。均一場は、ケークろ過プロセスを行う圧力の方向に応じて任意の角度で印加することができる。特定の固液混合物に最も有効であることが分かっていれば、圧力の方向に平行、非平行、垂直またはその他角度とすることができる。

固体粒子を凝集するには、固液混合物に機械的分離に用いる圧力を加える前に固液混合物に均一磁場を印加することも有利である。この凝集工程の後、固液混合物にまたさらに、ケークろ過プロセスと組み合わせて均一磁場、傾斜磁場または両方を印加することもできる。

傾斜磁場では、固液混合物中に存在する磁気粒子、すなわち、強磁性、常磁性または反磁性粒子にかかる磁力がある。磁力は、ケークろ過中粒子の動きに大きく影響し得る。傾斜磁場はまた凝集にも寄与する。この利点については前述したとおりである。

傾斜磁場により提供される磁力は、磁力の配向に応じて様々な方法で分離に影響し得る。磁力は、機械的圧力により提供される力と同じ方向に配向される。例えば、圧力を加える手段が重力で、沈降プロセスに用いられるときは、重力と同じ方向の磁力によって、磁気固体粒子の沈降プロセスが促進される。

あるいは、磁力は、機械的圧力により提供される力と反対の方向に配向される。他の実施形態において、機械的手段がガス圧力でケークろ過プロセスに用いられるときは、ガス圧力により提供される力と反対の方向の磁力によって、ろ過ケーク抵抗性が減少して、液体がろ過ケークをより容易に通過するようになる。その結果、分離が促進される。

機械的圧力と組み合わせて、均一磁場、傾斜磁場または両方を用いると、固液分離の静的態様と動的態様の両方が改善される。本発明の利点のいくつかを以下に挙げる。
１）均一磁場または傾斜磁場のないろ過プロセスの始めに特に生じる固体破過が減少する。固体破過の減少の結果、固体損失が大幅に減少する。これは、化学、バイオテクノロジーまたは製薬工業における高価な製品の分離にとっては特に重要である。
２）固液混合物の分離プロセスが迅速である。その利点は、滞留時間が短いこと、必要な分離面積が減じること、処理量が多いことである。
３）ろ過器の残渣液体含量およびろ過器により保持される固体が減少する。熱乾燥工程の操作コストを大幅に減じるため、これは特に重要である。この結果また、下流処置のために搬送するのに取扱い性が良くなる。
４）ガス破過に達する時間が減少する。ガス破過は、ケークろ過分離プロセスが、ケークろ過プロセスを行う圧力を提供するガスがろ過器を通過する段階まで進行するとき生じる。磁場を印加することによって、細かく非常に弱い磁気材料の粒子相互作用が変化し得ることが分かる。この影響は、他の分離プロセスに活用できる。

粒子の凝集は、分離の改善に重要な役割を演じる。この凝集はまた、凝集剤、例えば、長鎖ポリマーの付加の必要性も減じて、プロセス性能を改善する結果、製品を処理するのに必要な化学物質の量が減じる。固液混合物は、凝集剤、界面活性剤およびゾルを適宜含有することができる。固液混合物は、一般的に、懸濁液と同じ多くの特徴を有する。

固液混合物中の磁気粒子は、強磁性、フェリ磁性、反強磁性、常磁性または反磁性とすることができる。固液混合物はまた、強磁性または常磁性粒子でシーディングして、分離を促進することもできる。改善されたプロセスはまた、「機能性磁気ビーズ」を用いるとき、すなわち、磁気粒子を分離すべき標的固体に付加するときも有効である。分離プロセスを促進し、高価なバイオ材料の損失を減じるために、かかる磁気粒子に高価なバイオ材料を付加することもできる。本明細書で用いる「磁気粒子」には、この段落で述べる磁気材料の全てが含まれる。

弱い磁気特性を有する固体については、超伝導磁石が、分離を促進するのに有用な高い磁界の強さを与える。

本発明はまた、磁気粒子を含有する固液混合物のクロスフローろ過固液分離用装置も提供する。本装置は、ろ過が生じる装置の領域に傾斜磁場を提供する手段も含んでなる。これらは、分離が生じる装置内で有効であるという意味では局所傾斜であってもよい。クロスフローろ過器において、固液混合物は、固液混合物に供給するための入口、およびろ過材料を通過しなかった液体を排出するための出口を備えて、ろ過材料に囲まれたこのろ過領域に供給されて流れる。代表的な構成は、管の壁がろ過膜から形成された管である。固液混合物は管の一端に供給されて、管を下へ流れるにつれて、液体は膜を通過してろ液として集められる。固体は管内に保持され、濃縮された固液混合部が管の他端から排出される。このタイプのろ過器を用いて、水等の液体を精製する、すなわち、液体から固体汚染物質を分離する。目詰まりやファウリングを排除する、すなわち、ろ過を妨げるケークの形成を排除するためには、固体粒子をろ過材料から離れるように保持することが重要である。

本発明の装置は、ろ過が生じる装置の領域に傾斜磁場を提供する手段を与えることによってこれを行う。傾斜磁場は好ましくは≧１００Ｔ／ｍである。最も好ましくは、高磁場傾斜、すなわち、≧５０００Ｔ／ｍの傾斜である。傾斜磁場を提供する手段は、局所傾斜等傾斜磁場を提供する任意を材料を含んでいてよく、これは、管の中心に向かって磁気粒子を引き付ける力を与える。一般的に、傾斜磁場を提供する手段は、磁場に配置されると傾斜磁場を提供する材料、例えば、鋼線または鋼棒を含む。１つもしくはそれ以上の線または棒を用いることができる。磁気線または棒を管の中心領域に配置して、線または棒近傍の傾斜磁場からの磁力によって、固体磁気粒子を磁気線または棒に引き付けられるようにする。粒子は管の中心の線または棒に接合して、ろ過膜から離れて保持される。本装置は磁場を提供する手段をさらに含んでなる。磁場を提供する手段は、ソレノイドまたは永久磁石を含んでいてもよい。

本発明のクロスフローろ過装置の概略断面図を図６に示す。クロスフローろ過装置１１が、ろ過膜１２および管の軸近傍またはそれに沿った単一磁気線１３の管と共に示されている。固液混合物は、矢印１４に示されるとおり、管の一端に供給される。磁気粒子１５は、磁力の結果、磁気線に引き付けられて接合する。液体は管の長さに沿って、矢印１６に示されるとおり、ろ過膜を通過して、ろ液として集められる。ろ過器を通過せず、固体粒子をまだいくらか含有している液体は、矢印１７に示されるとおり、管の他端から出て、他の管ろ過装置を通って循環されるか廃棄される。周期的に、磁気線を管から取り外して、磁気粒子を線から除去する。ワイヤを管に戻す。印加された磁場は、管の軸に垂直であるのが好ましい。

本発明はまた、磁気粒子を含有する固液混合物のキャンドルろ過固液分離用装置も提供する。本装置は、ろ過が生じる装置の領域に局所傾斜等傾斜磁場を提供する手段を含んでなる。キャンドルろ過器は、管の上端が開き、管の下端が閉じた、長く細いキャンドルに似た複数の管を含んでなる。管は、ろ過材料、例えば、ろ過膜から構築されている。キャンドルろ過器の図を図７ａに示す。複数の管２１は、管の開放上部２２で供給される固液混合物と同時に供給できるように配列されている。

図７ｂに、管を形成するろ過膜３２を備えた単一管３１の断面を示す。固液混合物は、矢印３３に示されるとおり、管の開放上端に供給される。管を下に流れるにつれて、液体は膜を通過して、矢印３４で示されるとおり、ろ液として集められる。固体粒子３５は、管内に保持されて、管の側部で集められて、ろ過膜を目詰まりおよびファウリングさせる。これによって、ろ過プロセスが遅くなって、プロセスを停止して、管を清浄にする必要がある。

本発明の装置は、傾斜磁場を提供する手段を与えることにより、この問題を解決するものである。傾斜磁場は好ましくは≧１００Ｔ／ｍである。最も好ましくは、高磁場傾斜、すなわち、≧５０００Ｔ／ｍの傾斜である。本発明のクロスフローろ過装置と同様に、傾斜磁場を提供する手段は、局所傾斜等傾斜磁場を提供する任意を材料を含んでいてよく、これによって、管の中心に向かって磁気粒子を引き付ける力が得られる。一般的に、傾斜磁場を提供する手段は、磁場に配置されると局所傾斜磁場を提供する材料、例えば、鋼線または鋼棒を含む。１つもしくはそれ以上の線または棒を各管に用いることができる。磁気線または棒は、管の中央領域、すなわち、管の軸近傍またはそれに沿って配置される。線または棒近傍の傾斜磁場から得られる磁力は、磁気線または棒に固体磁気粒子を引き付ける。粒子は管の中心の線または棒に接合して、ろ過膜から離れて保持される。本装置は磁場を提供する手段をさらに含んでなる。磁場を提供する手段は、ソレノイドまたは永久磁石を含んでいてもよい。

本発明のキャンドルろ過装置の単一管の概略断面図を図７ｃに示す。単一管４１が、管を形成するろ過膜４２および管の軸に沿って配置された単一磁気ロッド４３と共に図示されている。固液混合物は、矢印４４に示されるとおり、管の開放上端に供給される。磁気粒子４５は、磁力の結果、磁気棒に引き付けられて接合する。液体は管の長さに沿って、矢印４６に示されるとおり、ろ過膜を通過して、ろ液として集められる。周期的に、磁気棒を管から取り外して、磁気粒子を棒から除去する。それから磁気棒を管に戻す。印加された磁場は、管の軸に垂直であるのが好ましい。一実施形態において、磁気棒は上部に接続されてアセンブリを形成し、同時に取り外したり戻せたりするようにする。

本発明の実施形態のほとんどで磁化率（χ_ｍ）の程度の異なる４つの材料を用いた。４つの材料は次のとおりである。１）デラウェア州、ウィルミントンのイー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー（Ｅ.Ｉ.ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ， ＤＥ）より入手した二酸化チタン、ＴｉＯ_２、２）ニュージャージー州、ベルゲンフィールドのアトランティックイクィップメントエンジニアーズ（Ａｔｌａｎｔｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｂｅｒｇｅｎｆｉｅｌｄ，ＮＪ）より入手したヘマタイト、Ｆｅ_２Ｏ_３ ６０１、３）ドイツ、エッセンのフランク＆シュルテＧＭＢＨ（Ｆｒａｎｋ＆Ｓｃｈｕｌｔｅ ＧＭＢＨ，Ｅｓｓｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）より入手した天然へマタイト、Ｆｅ_２Ｏ_３ Ｆ＆Ｓ、および４）スウェーデン、ヘガネスのヘガネスＡＢ（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ ＡＢ，Ｈｏｅｇａｎａｅｓ，Ｓｗｅｄｅｎ）より入手したマグネタイト、Ｆｅ_３Ｏ_４である。これらの材料の適正な物理特性、すなわち、密度、粒子サイズおよび磁化率を表Ｉに示す。

全実験を、液相として脱イオン水で実施した。全実験を空気圧を用いて実施して、ケークろ過プロセスを行った。

実施例で用いた装置は、非磁性プラスチック枠の中心に固定された修正キュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器からなっていた。キュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器を支持するプラスチック枠は、高温超伝導（ＨＴＳ）ソレノイド磁石の内径内に固定された。キュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器を、磁石の中央軸に沿った様々な位置に配置した。このように、キュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器を磁石の軸中心に配置した場合には、ろ過器およびその対応の製品が均一Ｂ場を受ける。同様に、キュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器を磁石の軸の末端に配置した場合には、ろ過器およびその対応の製品が傾斜磁場を受ける。ＨＴＳ磁石のウォームボア内径は２０ｃｍ、高さは３０ｃｍ、最大中心磁場は３．０Ｔであった。コンピュータモデル化を用いて、ＨＴＳソレノイドコイルの磁場分布を計算して、Ｂ場均一性の程度またはＢ場傾斜の強さ等のパラメータを求めた。

固液ろ過実験に用いたろ過ユニットは、コネチカット州、メリデンのキュノ社（ＣＵＮＯ Ｉｎｃ．，Ｍｅｒｉｄｅｎ，ＣＴ）より購入した。キュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器を修正して、実施例の実験のためにその高さを低くした。ろ過仕様を表ＩＩに示す。

実施例１
本実施例の目的は、空気圧の方向に垂直に印加された均一磁場、Ｂ−場の存在下でのケーク蓄積プロセスの原理を調べることである。実験は、固液混合物中の固体として強磁性マグネタイト、Ｆｅ_３Ｏ_４を用いて実施した。マグネタイトの濃度は１１体積パーセントであった。０Ｔ、０．０３Ｔ、０．０５Ｔ、０．１Ｔおよび０．５Ｔの均一磁気強度で別個の試験を実施した。各実験で用いた空気圧は１．６バールであった。比較的低い均一Ｂ場であっても、ろ過器ケーク構造を大幅に変えた。０．０３Ｔ以上のＢ場の印加で、ケーク構造自身の破壊の結果、ろ過器ケーク蓄積は観察できなかった。これによって、Ｆｅ_３Ｏ_４を用いたＢ場の存在下ケーク蓄積プロセスの原理を調べることができなかった。しかしながら、Ｆｅ_３Ｏ_４のろ過器ケーク構造における大幅な変化を利用して、Ｆｅ_３Ｏ_４が固液混合物中に存在するときに、分離プロセスを改善することができる。

実施例２
本実施例の目的は、ケークろ過中、均一磁場を印加すると、ろ液への材料損失の減少を示すことである。

強磁性マグネタイト、Ｆｅ_３Ｏ_４と水の混合物を調製した。マグネタイトの濃度は１１体積パーセントであった。混合物をそれぞれ１５ｇの８つの同じ分量に分割し、８回の試験を実施した。各部分を順々にキュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器と共にケークろ過装置に入れた。８回の各実験で用いた空気圧は１．６バールであった。最初の４回の別々の実験は磁場を印加せずに実施した。ろ液中の固体の質量を重量測定法で求めた。これら４回の実験のろ液中の固体の質量の平均は０．１３５ｇであった。次の４回の別々の実験を０．０３Ｔの均一磁場で実施した。均一磁場の方向は圧力の方向に垂直であった。これら４回の実験のろ液中の固体の質量の平均は０．０２５ｇであった。これは、固体ろ液質量が８０％減少したことを、すなわち、固体破過を示している。外部Ｂ場を印加したところ、ろ液に対する材料の損失が減少した。この減少は、主に、粒子の凝集、すなわち、ろ材を通過するには大きすぎる凝集物によるものと考えられる。これらの実験に用いたＦｅ_３Ｏ_４材料は、高価値バイオセパレーションにおいて「機能性磁気ビーズ」として用いるのに人気の出ている上述した市販の「磁気ビーズ」の多くと同じ粒子サイズ範囲にある。本実施例によれば、ケークろ過中の均一磁場の印加によって、かかるバイオセパレーションの効率および経済が改善されることが分かる。

実施例３
本実施例の目的は、ケークろ過を均一磁場の存在下で実施するときのろ過ケークの残渣水分の減少を示すことである。

残渣水分（ＲＭ）を用いて、脱水平行に達した後、すなわち、圧力を加えても液体がろ過器をもう通過しなくなった後、ろ過器ケーク内部にトラップされて残った液体の量を定量する。ＲＭが低くなればなるほど、機械的処置が効率的となる。機械的処置が効率的になればなるほど、固液分離プロセス全体におけるエネルギー消費が少なくなる。ＲＭは、湿潤ろ過器ケークの質量に対してトラップされた液体の質量を測定することにより実験的に求められる。これらの質量は、オーブン中でのろ過ケーク乾燥前後に重量測定法により求めた。６．１６体積パーセントのＦｅ_２Ｏ_３を含有する水と常磁性Ｆｅ_２Ｏ_３（６０１）の混合物を調製し、９つの部分に分割した。各部分を順々にキュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器と共にケークろ過装置に入れた。各実験で用いたガス圧力は２．８バールであった。３つのケークろ過プロセスは外部磁場なしで、３つのケークろ過プロセスは１．９Ｔの均一磁場で、３つのケークろ過プロセスは２．７３Ｔの均一磁場で実施した。均一磁場の方向は圧力の方向に垂直であった。図２に、印加した外部Ｂ場の３つの条件についての平均残渣水分含量のプロットを示す。図２の平均ＲＭ値および誤差バールは、計算された平均および各磁場条件で３回の別個の実験のσ_ｓである。結果によれば、ＲＭの相対的減少は、１．９Ｔの印加均一Ｂ場については略１７％であり、印加均一Ｂ場をさらに増大してもＲＭはそれ以上減少しないことが分かる。機械的分離工程中のＲＭ含量の減少は、熱乾燥工程中のエネルギー消費の減少に大きな影響を与え得るため、固液分離のエネルギー効率が増大する。

実施例４
本実施例の目的は、不均一磁場の存在下でのケーク蓄積の速度の増加を示すことである。

水と２５体積パーセントのＦｅ_２Ｏ_３を含有する常磁性Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｆ＆Ｓ）の混合物を調製し、２０の部分に分割した。各部分を順々にキュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器と共にケークろ過装置に入れた。２０回の各実験で用いたガス圧力は０．８バールであった。それぞれ、０、０．２Ｔ、０．４Ｔ、０．６Ｔおよび０．８Ｔの外部不均一磁場で４つのケークろ過プロセスを実施した。不均一磁場傾斜の方向は、圧力の方向に平行で、磁気粒子の磁力は、圧力傾斜の方向の反対とした。ろ液体積Ｖ_Ｌを２０回の実験のそれぞれについてろ過時間ｔの関数として測定した。

ケーク蓄積反応速度の評価については、上述したｔ／Ｖ_Ｌ対Ｖ_Ｌ式を用いて結果を定量的に分析した。ｔ／Ｖ_Ｌ対Ｖ_Ｌ線の傾きは特定のケーク抵抗性に比例している。不均一磁場のある値についてのｔ／Ｖ_Ｌの平均値を、不均一磁場で実施した４回の別個の実験から計算した。図３に示すのは、Ｂ場の様々な値についてのｔ／Ｖ_Ｌ対Ｖ_Ｌの平均値である。不均一Ｂ場のケーク蓄積プロセスに与える影響が図３から分かる。Ｂ場が増大すると、ｔ／Ｖ_Ｌ曲線の傾きがそれに対応して減少する。減少する傾きは、ケーク蓄積反応速度が早くなることを意味している。０．８ＴのＢ場の印加で、場を印加しないのと比べて約２５％ケーク抵抗性が減少する。この改善の主な理由は、外部不均一Ｂ場の存在下で蓄積する際のろ過ケークにおける物理的な構造変化である。この構造変化は、多孔性媒体を通る液体フローおよび分離に好ましい影響を有する。

実施例５
本実施例の目的は、ケークろ過プロセスを均一磁場の存在下で実施するときのガス破過の促進を示すことである。

含有する水と弱常磁性ＴｉＯ_２の混合物を調製し、８つの部分に分割した。各部分を順々にキュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器と共にケークろ過装置に入れた。２０回の各実験で用いた空気圧は３．３バールであった。４つのケークろ過プロセスを外部磁場なし、および２．７３Ｔの外部均一磁場でそれぞれ実施した。均一磁場の方向は圧力の方向に垂直であった。ガス破過の時間を各実験について測定した。

図４に、２つの異なる印加Ｂ場条件、すなわち、０と２．７３Ｔについての平均ガス破過時間（ｔ_ｂ）を示す。各場条件についての図４の平均ｔ_ｂ値および誤差バールは、計算された平均およびそれぞれ４回の別個の実験のσ_ｓである。これらの結果によれば、Ｂ場を印加したＴｉＯ_２についてガス破過時間が早めに生じており、従って、分離プロセスが迅速になったことが分かる。この効果は、ＴｉＯ_２の分子同士の相互作用における変化によるものと考えられる。

実施例６
本実施例の目的は、不均一磁場の存在下でのケーク蓄積の速度の増加を示すことである。

本実施例については、ピストンを用いて、プレスろ過プロセスとした。空気圧によりピストンを下方へ押すと、ピストンがろ過器を通して水を押す。

水と酸化鉄無機顔料である、ドイツ、レバークーゼンのバイエルＡＧ（Ｂａｙｅｒ ＡＧ，Ｌｅｖｅｒｋｕｓｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）より入手した、１６．５体積パーセントのベイオキシド（Ｂａｙｏｘｉｄｅ）（登録商標）Ｅ８７０６を含有するベイオキシド（Ｂａｙｏｘｉｄｅ）（登録商標）Ｅ８７０６酸化鉄無機顔料の混合物を調製し、それぞれ６０ｇの水と酸化鉄ベイオキシド（Ｂａｙｏｘｉｄｅ）（登録商標）を含有する３つの部分へ分割した。各部分を順々にキュノ（ＣＵＮＯ）ろ過器と共にケークろ過装置に入れた。３回の各実験で用いたガス圧力は０．８バールであった。ろ過器を通過した水の質量を時間の関数として測定した。１回目の実験では、外部磁場は印加しなかった。すなわち、Ｂ＝０である。他の２回の実験では、不均一磁場を印加した。１回目の実験の磁界の強さは１Ｔであり、他の実験では４Ｔであった。磁場傾斜および磁力は４Ｔ場より高かった。不均一磁場傾斜の方向は、磁気粒子の磁力が圧力傾斜の方向に反対となるようにした。磁気粒子は、ピストンの方へ、ろ過ケークから離れるように動かすことにより、磁力に応答した。ろ過器を通過した水の質量を時間の関数として測定した。３回の実験の結果を図３に示す。ろ過器を通過した液体の質量を時間の関数として示してある。１Ｔおよび４Ｔでの結果は実質的に同じである。これらの場の印加により、ケーク蓄積速度が２００倍改善された。これらの結果によれば、ケークろ過中に磁場傾斜を印加すると、プロセス反応速度が大幅に改善できることが分かる。

本発明で用いるのに好適なその他の分離装置、その使用方法は、全ての目的についてその一部として全体が援用される２００５年２月１７日出願のＳＮ第１１／０６０，００１号明細書およびＳＮ第１１／０６０，００４号明細書に記載されている。

従来のケークろ過を示す。 ケークろ過プロセスを均一磁場の存在下で実施するときのろ過ケークの残渣水分の減少を示す。 様々な不均一磁場の存在下で実施されたケークろ過の量（ろ過時間／ろ液溶液）対ろ液容積のプロットである。 均一磁場の存在下で実施されたケークろ過についてのケークろ過のガス破過の減少を示す。 様々な不均一磁場の存在下で実施されたろ過器を通過した液体の質量対時間のプロットである。 本発明のクロスフローろ過装置およびそのろ過操作の概略断面図である。 キャンドルろ過器の図、傾斜磁場を提供する手段を備えた、および備えていないキャンドルろ過器からの１つの管、そのろ過操作における差の概略断面図である。

Claims (11)

1. （ａ）軸を有する管状ケークろ過領域であって、管状ろ過領域の側壁がろ過材料を含む管状ケークろ過領域と、（ｂ）磁場に配置されると傾斜磁場を与える材料であって、管状ろ過領域の軸近傍にその長さに沿って存在する材料と、および（ｃ）磁場を提供する手段とを含んでなる、磁気粒子を含有する固液混合物の固液分離用装置。
2. 傾斜磁場がろ過領域の中心に向かって磁気粒子を引き付け、そしてろ過材料から離す力を提供する請求項１に記載の装置。
3. 傾斜磁場を提供する材料が管状ろ過領域の軸に沿って存在する請求項１に記載の装置。
4. 傾斜磁場を提供する材料が１つまたはそれ以上の鋼線または棒を含む請求項１に記載の装置。
5. 磁場を提供する手段がソレノイドまたは永久磁石を含む請求項１に記載の装置。
6. 固液混合物の固体がバイオ材料を含む請求項１に記載の装置。
7. 管状ろ過領域がろ過材料を含む端壁をさらに含む請求項１に記載の装置。
8. 複数の管状ろ過領域をさらに含む請求項１に記載の装置。
9. 請求項１に記載の装置を含むクロスフローろ過システム。
10. 請求項１に記載の装置を含むキャンドルろ過システム。
11. 傾斜磁場を提供する材料が管状ろ過領域の全長に沿って存在する請求項１に記載の装置。

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