JPH01228507A - 荷電性浮遊物質のろ過方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は一般に液相系あるいは気相系に分散している荷
電粒子あるいは蛋白質や微生物などの生体関連物質と流
体とを分離する際に、ろ過膜を用いるろ過方法に関する
ものであり、特に荷電物質の電気泳動作用を利用したろ
過方法に関するものである。 本発明のろ過膜を用いたろ過方法は、種々の荷電粒子や
荷電した生体関連物質を含有する流体と当該物質との分
離、精製、回収、濃縮などに適用される。例えば、荷電
をもつ無機質性あるいは有機質性の微粒子を含有する各
種の水および非水溶液の懸濁液、顔料の懸濁液、超純水
製造用水などから粒子を分離する場合にも適用され、ま
た荷電粒子を含む気体から粒子を分離、除去して気体を
精製する、例えば医薬アンプルへ充填する無菌窒素ガス
、超純水製造装置へ陽圧用ガスとして充填する無塵、無
菌の空気あるいは半導体製造工程における空調用無塵、
無菌の空気や不活性ガスなどの製造のためにも適用され
る。

【従来の技術】

従来ろ過膜を用いて固体粒子や微生物などの生体関連物
質を含有する原流体（液体および気体）から粒子を分離
する技術としては、例えば圧力を駆動力とする逆浸透法
、限外ろ過法、精密ろ過法、電位差を駆動力とする電気
透析法などがある。これらの方法は相変化を起こすこと
なく、粒子、分子、イオンの分離濃縮の連続操作が可能
であるので、あらゆる分野で広範囲に用いられている。 特にコロイド状物質や蛋白質などの生体関連物質に対し
ては限外ろ過膜が使用され、微小な粒子や微生物に対し
ては精密ろ過膜が使用されている。これらの分離に用い
られる膜素材としては、酢酸セルロース、硝酸セルロー
ス、再生セルロース、テフロン、ポリスルホン、ポリア
クリロニトリル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテ
ルスルホンなどの高分子膜や、耐熱性、耐薬品性のある
多孔質焼結体膜などがある。 ろ過膜を用いてこれらの微細な粒子や生体関連物質を分
離する場合の問題は、濃度分極の影響によりろ過膜面上
に被分離物質が堆積しく以後、ろ過膜面上の堆積層をろ
滓と称する）、またろ過膜の目詰りによりろ過抵抗が大
きくなって流体の膜透過流束が急激に低下してしまうこ
とである。そこで従来はこの低下した膜透過流束を回復
させて高い膜透過流束を維持する方法として、逆洗法と
電圧印加法が施されていた。 まずこの逆洗法は一般に精密ろ過法に適用され一定時間
ろ過操作を行った後、精密ろ過膜の透過流体側から原流
体側に外部圧力をかけ、透過流体あるいは空気などのガ
スを膜を通して原流体側に送入することによって行われ
ている。 次に電圧印加法は流体中に懸濁している荷電粒子や荷電
分子の膜分離に適用される。この方法は例えば平膜の限
外ろ過膜あるいは精密ろ過膜において、透過流体側の膜
表面近傍に板状あるいは網状の電極を膜と平行に取り付
け、一方対極は原流体側の膜表面と一定間隔を空けて取
り付ける。その対極電極に粒子と反対の極性となるよう
に電圧を印加し、荷電粒子の電気泳動作用を利用して膜
面への粒子の堆積を防止する。電極としてはステンレス
の金網などが一般に用いられているが、電極と分離膜と
を兼ねたものとしてステンレス繊維や炭素繊維などを素
材とするデプス型フィルターと称されるものが用いられ
ている。 電圧の印加法に関しては加圧ろ過を連続的に行いながら
、連続的に電圧印加を行なう方法と、連続ろ過を行いな
がら間欠的に印加を行なう方法が試みられている。

【発明が解決しようとする課題】

上述した従来技術の逆洗法においては、逆洗操作を行っ
ていないろ過操作の間はる滓のために膜透過流束が低下
する。逆洗用の透過液を使用する場合は、逆洗操作を短
い間隔で行なうと結果として単位時間当たりの平均の膜
透過流束が減少するなどの問題点ある。また限外ろ過膜
は細孔が小さすぎるために一般に逆洗操作を行なうこと
はできない。さらに製薬関係では、雑菌汚染を嫌うため
に一般に逆洗操作は行われていない。このような背景を
考慮すると逆洗操作を行わずに高い膜透過流束を維持し
つつろ過を行なうことができれば膜の適用範囲がより広
がる。 次に従来の電圧印加法では金属の電極を用いているため
に、平膜の場合にはその取り付けは比較的容易であるが
、複雑な構造を有するモジュール（単位体積当たりのろ
過面積を増加させるために、かつ取り扱いが容易となる
ように形成したもの）、例えばスパイラル型（平膜をの
り巻状にまるめたもの）、プリーツ型（平膜を折たたん
だもの）、中空糸型（径０．５ｍｍ位のチューブ状膜を
たばねたもの）モジュール等においては電極の取り付け
は非常に困難となる。またステンレス製の金網電極を用
いると高分子膜のように硬度の小さい膜では、電極を挟
み込むことにより膜に傷がつくこともあるなどの問題点
があった。

【課題を解決するための手段】

本発明者らは、上述した従来技術にあった問題点を除去
すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明をなすに至ったも
のである。ろ過膜を用いて荷電した粒子や生体関連物質
を含む流体からなる原流体をろ過する際に、ろ過膜の交
換あるいは逆洗を行わずに高い膜透過流束を得るための
公知のろ過方法として、ろ過膜の原流体側にはろ過膜と
一定間隔を空けて対極電極を設置し、ろ過膜の透過流体
側に設置した電極が陰極（あるいは陽極）となるように
電場を与えつつろ過を行なうことにより、ろ過膜面上へ
の被分離物質の堆積を抑制する方法が存在するが、本発
明は当該原流体をろ過する際に、加圧を周期的に停止し
、かつろ過膜に電場を与えることに特徴がある。 本発明によるろ過方法を行なうことにより、単にろ過膜
に電場を与えつつろ過を行なう方法よりも、高い膜透過
流束を維持する効果は飛躍的に増大する。 またろ過膜の透過流体側の陰極をろ過膜に密着させて用
いる場合、ろ過膜および当該電極のかわりに、ろ過膜面
上に導電性薄膜を形成させたろ過膜を用いることによっ
て、スパイラル型、プリーツ型環複雑な構造を有するモ
ジュールにおいてもその適用が容易となる。 なお当該ろ過操作を行なう際に用いるろ過膜の種類は限
外ろ過膜、精密ろ過膜、ろ布、ろ紙などの導電性薄膜を
形成しうるあらゆるろ過膜を含み、材質は酢酸セルロー
ス、テフロン、ポリスルホンなどの高分子および多孔質
焼結体などあらゆる素材を含む。またろ過膜の形状は平
膜型、スパイラル型、プリーツ型、背型、中空糸型等あ
らゆる形状を含む。 以下に本発明の詳細な説明する。 本発明の原理は、負（あるいは正）に荷電した浮′ｆｉ
物質を含む流体をろ過膜を用いて加圧ろ過するとき、高
い膜透過流束を維持するために原流体を供給するポンプ
を周期的に停止あるいはバイパスを設は原流体の膜への
供給を周期的に停止し、かつろ過膜の透過流体側を陰極
（あるいは陽極）として電場に与えつつろ過することに
よる、ろ過膜と当該物質量に生じる電気的反発力を利用
し、粒子のろ過膜の原流体側面上への堆積およびろ過膜
の細孔内への付着を抑制することにある。さらには消費
電力を節約するために、原流体の膜への供給を周期的に
停止した際にのみろ過膜に電場を与えることによっても
類似の効果が達成される。 ただしこの場合にはその効果は連続的に電場を与える場
合よりも若干減少する。 なお本発明においてろ過膜に電場を与える際の電圧印加
量は大きいほど良いが、原流体の電解質濃度等によって
電気分解や電極反応が起こり、ろ過に悪影響を及ぼすこ
とも考えられるので、最適な電圧印加量を選択する必要
がある。 次に本発明の操作とその実施例の概要を示す。 図面に基づいて説明する。 第１図において、１は十字流型ろ過装置であり、２は原
液の供給ポンプ、３は粒子を含む原液槽である。４はろ
過圧力調整バルブ、５は原液の流路を示すものであり、
６はろ過膜（斜線部は陰極）である。また７は対極電極
、８は直流電源、９はろ液出口、１０は濃縮液出口を示
す。原液は供給ポンプ２により原液槽３から十字流型ろ
過装置ｌに入り、原液の一部はろ過膜６を透過してろ過
が行われ、残りの原液は濃縮液となる。このときのろ過
圧力の調整はろ過圧力調整バルブ４によって行われる。 なお第１図はろ過膜として平膜を用い、ろ過膜の透過流
体側を陰極とし、負に荷電した懸濁粒子を含む原液をろ
過する場合の概要を示したものである。 以下に本発明の実施例、および本発明によらない対照例
を示す。なお実施例および対照例はいずれも、第１図に
示すようなろ過回路を用い、平均膜孔径０．４５μｍ（
直径４７ｍｍ、平膜）の精密ろ過膜で、負電荷を有する
ポリスチレンラテックス粒子（重合法によって調整され
た合成高分子粒子、平均粒径１．０μｍ、濃度０．０５
ｗｔ％）を蒸留水に分散させた原液をろ過した結果を示
したものである。またろ過膜の有効ろ過面積は９゜６２
ＣＴＩｌ、原液のろ過装置への供給流量は約１００ｍ１
／分（十字流ろ過の場合）、原液の電気伝導度は約１５
μｍであった。さらに実施例および対照例における各ろ
過方法を表に示した。なお対照例、実施例ともにろ液中
へのラテックス粒子の漏出は認められなかった。 ところで実施例および対照例は全量ろ過および十字流ろ
過の２種類のろ過方式について行った。 全量ろ過は第１図におけるろ過圧力調整バルブ４を完全
に閉じることによって行った。 なお本発明の実施例および対照例の一部において採用し
た十字流型ろ過とは、ろ過すべき原流体はろ過膜に沿っ
て平行に流れ、ろ過後流体がろ過膜面に対して垂直に流
れるろ過方式であり、両者の流れが直交しているのでこ
のように称されている。この十字流型ろ過方式は膜に平
行な原流体の流れによる剪断力によってろ滓をある程度
剥ぎ取る効果を有し、ろ過抵抗を低く保つことができる
ので大量の原流体を直接連続的に分離、精製、濃縮する
ことが可能であるという特徴を有する。 対照例２は加圧の周期的停止のみによるろ過方法であり
、通常のろ過方法と比較すると、高い膜透過流束を維持
する効果が認められたが、その効果は微々たるものであ
ったのであえて対照例とした。 〔対照例１］ 電場を与えずに十字流ろ過方式により加圧ろ過を連続的
に行ったときの、ろ過流量およびろ過圧力の初期値はそ
れぞれ１３．０ｍｌ／分、０．１７ｋｇｆ／ｃｎであり
、ろ過開始より６０分経過時においてはそれぞれ３．６
　ｍ　Ｉ　７分、０．１９ｋ　ｇ　ｆ　／ａＪであった
。またこのときの全処理量は３２１．５ｍｌであった。 〔対照例２〕 電場を与えずに十字流ろ過方式による加圧を周期的に停
止させるろ過方法（５０秒加圧、１０秒停止の繰り返し
）を行ったときの、ろ過流量およびろ過圧力の初期値は
それぞれ１２．１ｍｌ／分、０、　１１　ｋｇ　ｆ　／
ｃ４であり、ろ過開始より６０分経過時においてはそれ
ぞれ４．０ｍｌ／分、０．１５ｋｇｆ／ｃｆｆｌであっ
た。またこのときの全処理量は３８１．０ｍｌであった
。 〔対照例３〕 イオンブレーティング法により金を蒸着した導電性精密
ろ過膜を用い、電場を連続的に与え（電位勾配３８．５
■／ｃ′ｆｆ１）、十字流ろ過方式により加圧ろ過を連
続的に行ったときの、ろ過流量およびろ過圧力の初期値
はそれぞれ１４．３ｍｌ／分、０．１０ｋｇｆ／ｄであ
り、ろ過開始より６０分経過時においてはそれぞれ９．
２ｍｌ／分、０゜１３ｋｇｆ／ｃｆｆｌであった。また
このときの全処理量は５６８．２ｍｌであった。 〔対照例４〕 電場を与えずに全量ろ過方式により加圧ろ過を連続的に
行ったときの、ろ過流量およびろ過圧力の初期値はそれ
ぞれ８．９　ｍ　Ｉ　７分、０．４４ｋ　ｇ　ｆ　／ｃ
ｉであり、ろ過開始より６０分経過時においてはそれぞ
れ３．４２ｍ１／分、０．　４９　ｋｇ　ｆ／ｃｎｌで
あった。またこのときの全処理量は２６７．８ｍｌであ
った。 〔実施例１〕 対照例３と同様の精密ろ過膜を用い、十字流ろ過方式に
より加圧を周期的に停止させ（５０秒加圧、１０秒停止
の繰り返し）、かつ加圧停止時にのみ電場を与える（電
位勾配３８．５Ｖ／ＣＴ１１）ろ過方法を行ったときの
、ろ過流量およびろ過圧力の初期値はそれぞれ１５．７
ｍｌ／分、０．０５ｋｇｆ／ｃＪであり、ろか開始より
６０分経過時においてはそれぞれ１２．９ｍｌ／分、０
．０９ｋｇｆ／ｃｆｆｌであった。またこのときの全処
理量は９３０゜９ｍｌであった。 〔実施例２〕 対照例３と同様の精密ろ過膜を用い、十字流ろ過方式に
より加圧を周期的に停止させ（５０秒加圧、１０秒停止
の繰り返し）、かつ連続的に電場を与える（電位勾配３
８．　５　Ｖ／ｃｍ）ろ過方法を行ったときの、ろ過流
量およびろ過圧力の初期値はそれぞれ２６．９ｍｌ／分
、０．０９ｋｇｆ／ｃｔＭであり、ろ過開始より６０分
経過時においてはそれぞれ２０．１ｍｌ／分、ろ過圧力
は０．１３ｋｇｆ／ａｎｔであった。またこのときの全
処理量は１３０１．９ｍｌであった。 〔実施例３〕 対照例３と同様の精密ろ過膜を用い、全量ろ過方式によ
り加圧を周期的に停止させ（５０秒加圧、１０停止の繰
り返し）、かつ連続的に電場を与える（電位勾配３８．
　５　Ｖ／ｃｍ）ろ過方法を行ったときの、ろ過流量お
よびろ過圧力の初期値はそれぞれ３３，１ｍｌ／分、０
．２６ｋｇｆ／ｃＪであり、ろ過開始より６０分経過時
においてはそれぞれ８．９ｍｌ／分、０．４４ｋｇｆ／
ｄであった。 またそのときの全処理量は７０７．３ｍｌであった。 十字流ろ過方式による結果（対照例１〜３、実施例１．
２）から、通常のろ過方法および公知の高い膜透過流束
を維持するろ過方法（対照例３）よりも、加圧を周期的
に停止し、かつろ過膜に電場を与えるろ過方法（実施例
２）の方が高い膜透過流束を維持する効果の大きいこと
が実証された。 また消費電力軽減のためには、加圧停止時にのみ電場を
与えること（実施例１）でも大きな効果の期待できるこ
とが実証された。 また全量ろ過方式による結果（対照例４、実施例３）か
ら、全量ろ過方式においても加圧を周期的に停止し、か
つろ過膜に電場を与えるろ過方法は高い膜透過流束を維
持する効果の大きいことが実証された。

【図面の簡単な説明】

第１図は荷電性懸濁物質を含む原液をろ過する際の回路
図である。 図中、１は十字流型ろ過装置、２は原液の供給ポンプ、
３は懸濁物質を含む原液槽、４はろ過圧力調整バルブ、
５は原液の流路、６はろ過膜（斜線部は陰極）、７は対
極電極、８は直流電源、９はろ退出口、１０は濃縮液出
口である。 特　許　出　願　人　財団法人　工業開発研究所間　　
　　　株式会社　ニ　シ　ャ　マ代理人　　　弁理士　
１）　澤　　　　博　　昭（外２名） 図面の浄シ（内容に変更なし） 第１図 手続補正書（方式） よ　１６３月６・１“告

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）負（あるいは正）に荷電した微小粒子を含む流体
   （液体あるいは気体）からなる原流体をろ過膜を用いて
   加圧ろ過する際に、ろ過膜の原流体側にはろ過膜と一定
   間隔を空けて対極電極を設置し、ろ過膜の透過流体側に
   密着あるいは一定間隔を空けて設置した電極が陰極（あ
   るいは陽極）となるように電場を与え、かつ加圧を周期
   的に停止することにより、ろ過膜面上への被分離物質の
   堆積を抑制することを特徴とするろ過方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の操作を行なう際に、
   ろ過膜の透過流体側の陰極（あるいは陽極）をろ過膜に
   密着させて用いる場合、ろ過膜および当該電極のかわり
   にろ過膜面上に物理的蒸着法あるいは化学的蒸着法によ
   り導電性薄膜を形成させたろ過膜を用いることを特徴と
   するろ過方法。