JP6057437B2 - 濾過システム - Google Patents

Description

本発明は、内部にチャンバを画定する変形可能な壁部と、チャンバ内に配置されるチューブ形状の膜とを備える、固体粒子を含む流体を濾過するための濾過システムに関する。

人間の胃腸内のプロセスを分析する目的のために、効率的な濾過システムを提供することが望まれている。

前文による濾過システムが知られており、濾過されることとなる流体が、チャンバ内に設置されているチューブを通して流される。膜が、チューブの内側に配置されている。

しかし、実際には、固体粒子が膜に蓄積してケーキを形成し、濾過プロセスを悪化させるようである。膜の濾過効率を高めるために、機械的な処理、例えば、拭き取ること、又は、膜に沿ってせん断流を加えることによって、ケーキの形成が妨げられ得る。

本発明の態様によれば、前文によるシステムが提供され、このシステムは、チャンバ内に存在する流体を膜の外部に濾過するために、チャンバ壁部を内向き及び外向きに周期的にそれぞれ変形させるように構成されており、膜は、チューブ状の支持要素と、チューブ状の支持要素の外面に配置される膜層とを含み、膜層は、チューブ形状の膜の長手方向軸線に対する半径方向のオフセットが増加するにつれて径が小さくなるチャネルを含む。

チャンバ内で濾過されることとなる流体を膜の外側に供給することによって、及び、機械的にチャンバ体積を変化させることにより流体流れを誘導することによって、効率的な濾過プロセスの実施が可能となり、ケーキの成長が、かなり低減させられる。移動するチャンバ壁部による絞る、揉む、及び／又は押す効果は、接線流を膜表面に沿って押し進め、ケーキの形成を妨げるせん断力を発生させる。

本発明によるシステムは、膜が濾過チューブの外側に位置し、原理的に、膜を洗浄するために機械的な部品が必要とされないようになっているフィルタ構成を可能にする点で有利である。さらに、機械的な洗浄作用が望まれる場合には、そのようなプロセスが、外部にある膜の位置に起因して、比較的容易に実施され得る。

また、本発明は、固体粒子を含む流体を濾過する方法に関する。

ここで、単なる例として、本発明の実施形態が、添付の図を参照して説明されることとなる。

本発明による濾過システムの概略断面図である。 本発明による濾過システムのチューブ形状の膜の概略側断面図である。

図は、単に、本発明による好適な実施形態の概略図である。図では、同じ参照番号は、同等の又は対応する部分を参照している。

図１は、本発明による濾過システム１の概略断面図を示している。濾過システム１は、固体粒子を含む流体を濾過するように構成されており、変形可能な壁部３ａ〜３ｄの内部に画定されている複数のチャンバ２ａ〜２ｄを備える。さらに、システム１は、対応するチャンバ２ａ〜２ｄ内に配置されているそれぞれのチューブ形状の膜４ａ〜４ｄを含む。

システムは、ハウジング５ａ〜５ｄを含み、その内部にチャンバ２ａ〜２ｄが収容されている。さらに、濾過システム１は、チャンバ２及び膜４を直列に配置するために、複数の中間チャンバ部材６ａ〜６ｄと、対応するチューブ形状の中間膜７ａ〜７ｄとを含む。示されている実施形態では、チャンバ２及び膜４が、それぞれの閉回路を、それぞれ形成している。

膜４及び中間膜７が単一要素に一体化され得るということが留意される。例として、第１のチューブ形状の膜４ａ、及び、隣接する第２のチューブ形状の膜４ｂは、第１及び第２の膜４ａ〜４ｂの間にチューブ形状の中間膜７ａを含む単一の膜として実施され得る。

示されている実施形態では、チューブ形状の膜４ａの長手方向軸線Ａは、対応するチャンバ２ａの対称軸線に実質的に平行である。図１では、対応するチャンバの対称軸線Ｙは、膜４ａの長手方向軸線Ａと一致している。

濾過システム１の運転中に、濾過されることとなる流体が、チャンバ２の対称軸線Ｙに実質的に平行な方向に、チャンバ２ａ〜２ｄを通って流れる。チャンバ壁部３を、チャンバ２の対称軸線Ｙに関して半径方向で内向き及び外向きに周期的に変形させることによって、流れが誘導される。チャンバ壁部３を蠕動運動で周期的に変形させることによって、対称軸線Ｙに平行な方向の流体流れが引き起こされる。

この明細書では、蠕動運動は、チャンバの対称軸線Ｙに沿う波として、半径方向に対称的なチャンバ壁部の収縮及び弛緩の伝搬として理解されるべきであり、それによって、チャンバの対称軸線Ｙに沿って伝搬方向Ｐに前方へ材料を押す。そのような蠕動運動は、消化管を取り囲む平滑筋の収縮の蠕動が消化管を通して内容物を推進させることをシミュレートしている。蠕動は、食物塊又はチャイム（ｃｈｉｍｅ）と呼ばれる食物の小さな塊を胃腸管に沿って押し込む。

チャンバ壁部３を絞る、揉む、及び／又は押すことによって、流体が、混合され、直交流又は接線流として、膜の外面に平行に推進させられる。有利な様式では、せん断力が発生させられ、それは、流体から濾過されることとなる固体粒子の望ましくない蓄積（ケーキとも呼ばれる）の形成を妨げる。

チャンバ壁部３は、可撓性のスリーブを含み、可撓性のスリーブは、例えば、対応するハウジング５の残りの部分に過少圧力及び／又は過大圧力を加えることによって、容易に変形させられ得ることが好ましい。しかし、チャンバ壁部は、剛性の高い部分を含んでもよく、剛性の高い部分は、例えばアクチュエータによって駆動されて、半径方向で内向き及び外向きに移動させられ得る。

対応する膜４を備える複数のチャンバ２が使用されるので、非常に効果的な濾過プロセスが実行され得る。そのうえ、プロセスは、非常に効率的に実施され得る。示されている実施形態では、複数の可撓性の壁部３ｂ〜３ｄが、半径方向内向きの位置に設置され、一方、単一の可撓性の壁部３ａが、半径方向内向きの位置と半径方向外向きの位置との間で周期的に移動する。そして、利用可能な膜表面は、チャンバ内の流体体積と比較して相対的に大きく、フィルタープロセスにおいて高い効率が得られるようになっている。さらに、ループ状のチャンバ、及び、対応する膜チューブを形成することによって、濾過プロセスが、連続的に実施され得る。また、原理的には、代替例として、開チェーン（ｏｐｅｎ ｃｈａｉｎ）のチャンバ、及び、対応する膜チューブも、実施され得る。さらに、また、単一のチューブ形状の膜を含む単一のチャンバも、濾過プロセスを実施するために適用され得る。

図２は、本発明による濾過システム１のチューブ形状の膜４の概略側断面図を示している。膜４は、チューブ状の支持要素１０と、チューブ状の支持要素の外面１２に配置されている膜層１１とを含み、効果的な膜部１１が、チューブ４の外側に位置付けられるようになっている。膜４内のチャネル１５は、チューブ４の長手方向軸線Ａに対する半径方向のオフセットが増加するにつれて径が小さくなる。膜層の位置の効果として、ケーキの形成が、さらに妨げられる。

示されている実施形態では、チューブ状の支持要素１０及び膜層１１が、一体化されたモジュールを形成している。代替例として、チューブ状の支持要素１０及び膜層１１は、別々に形成され、互いに取り付けられている。膜は、セラミック材料から、又は、ポリマーなどのような別の材料から、作製され得る。

非常に有利な様式では、濾過システム１は、流体透過性の硬いチューブ形状の構造体１３をさらに備え、流体透過性の硬いチューブ形状の構造体１３は、膜４の外面１４に配置されており、変形可能な壁部３の半径方向の最小位置Ｒ_ｍｉｎを画定しており、半径方向の最小位置Ｒ_ｍｉｎは、膜４の半径方向の外面位置Ｒ_{ｍｅｍｂｒａｎｅ}よりも大きい。

流体透過性の硬いチューブ形状の構造体１３を適用することによって、チャンバ２の体積は比較的小さくなる一方、硬い構造体を通る流体流れは、半径方向のリングオフセットＲ_{ｏｆｆｓｅｔ}を有し、かつ、膜に沿って接線方向にチューブ４を囲む、リング体積部を通して押し込まれることが可能となり、それによって、濾過プロセスの効率がさらに一層向上する。

流体透過性の硬いチューブ形状の構造体は、例えば、ソックス（ｓｏｃｋ）として実施される。原理的には、上述の流体透過性の硬いチューブ形状の構造体としては、変形可能な壁部が、半径方向の最小位置を越えて半径方向内向きに移動し、膜の半径方向の外面位置よりも大きく移動するのを強制的に止めるのに十分に硬いが、濾過されることとなる流体に対して透過性である、それぞれの織布材料又は不織布材料を適用するのが適切である。

随意的に、濾過システムには、例えば、濾過されることとなる流体の粘度が所望のレベルを超えて増加した場合に、チャンバ内の流体を加熱するための加熱要素が設けられる。

本発明による濾過システムは、胃腸管内のプロセスを分析するときに、腸の検査内容物を濾過するために使用され得る。

しかし、また、他のタイプの流体が、本発明のシステムを使用して、濾過されてもよく、それは、例えば、薬学的モデルで、又は、他の臨床学的モデルで分析されることとなるスラリー又は流体である。

長さ５０ｃｍ、外径１０ｃｍ、及び孔サイズ１００ｎｍを有するチューブ形状の膜が、３時間の期間中に３ｍｌ／分の濾過速度が可能であるという状態で、スラリーの濾過を実施することが可能であるということが、実験によって示された。

本発明は、本明細書に説明されている実施形態に限定されない。多くの変形例が可能であるということが理解されることとなる。

チャンバ内に単一のチューブ形状の膜を適用する代わりに、複数のチューブ形状の膜が、本発明による濾過システムのチャンバ内に配置され得る。

そのような他の変形例が、当業者にとって明らかであり、以下の特許請求の範囲において定義されているような本発明の範囲内に含まれるように考慮される。

Claims (12)

1. 内部にチャンバを画定する変形可能な壁部と、前記チャンバ内に配置されるチューブ形状の膜とを備える、固体粒子を含む流体を濾過するための濾過システムであって、
   前記チャンバ内に存在する流体を前記膜の外部に濾過するために、前記チャンバの壁部を内向き及び外向きに周期的にそれぞれ変形させるように構成されており、
   前記膜が、チューブ状の支持要素と、前記チューブ状の支持要素の外面に配置される膜層とを含み、前記膜層が、前記チューブ形状の膜の長手方向軸線に対する半径方向のオフセットが増加するにつれて径が小さくなるチャネルを含み、
   前記チャンバの壁部を蠕動運動で周期的に変形させるように構成されている、濾過システム。
2. 前記チューブ形状の膜の前記長手方向軸線が、前記チャンバの対称軸線に実質的に平行である、請求項１に記載の濾過システム。
3. 前記チューブ状の支持要素及び前記膜層が、一体化されたモジュールを形成している、請求項１に記載の濾過システム。
4. 前記膜が、セラミック材料から作製されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の濾過システム。
5. 前記変形可能な壁部が、可撓性のスリーブを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の濾過システム。
6. 前記膜の前記外面に配置され、かつ、前記変形可能な壁部の半径方向の最小位置を画定している、流体透過性の硬いチューブ形状の構造体をさらに含み、前記半径方向の最小位置が、前記膜の半径方向の外面位置よりも大きい、請求項２に記載の濾過システム。
7. 前記チャンバ内の前記流体を加熱するための加熱要素をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の濾過システム。
8. 直列に配置されている複数のチャンバを含み、それぞれのチャンバが、それぞれの前記チャンバ内に配置されているチューブ形状の膜を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の濾過システム。
9. それぞれの前記チューブ形状の膜同士も、直列に接続されている、請求項８に記載の濾過システム。
10. 前記チャンバ及び／又は前記膜が、閉ループを形成している、請求項８又は９に記載の濾過システム。
11. 前記チャンバ内に配置されている複数のチューブ形状の膜を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の濾過システム。
12. 固体粒子を含む流体を濾過する方法であって、
    内部にチャンバを画定する変形可能な壁部と、前記チャンバ内に配置され半径方向の外面を有するチューブ形状の膜とを用意するステップと、
    前記チャンバ内に存在する流体を前記膜の外部に濾過するために、半径方向外向きの位置と、前記膜の前記半径方向の外面に近い半径方向内向きの位置との間で、蠕動運動で前記チャンバの壁部を内向き及び外向きにそれぞれ周期的に変形させるステップと、
    を含む方法。

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