JPH01310703A - 膜分離装置における濃縮制御方法 - 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〉 本発明は限外濾過膜や逆浸透膜のような透過膜を装着し
た膜分離装置に、濃縮すべき原液たとえば水産加工から
得られる魚汁、あるいは果物および野菜等のいわゆるジ
ュース、あるいは糖液、あるいは抗生物質等を含有する
医薬品等のように、ＩＩｉ類、アミノ酸、有機酸、可溶
性蛋白質等の各種有機物を含有する有価物含有溶液や、
または有用な無機物が含有されている液体等を流入して
、原液中の不要な成分あるいは水分を透過膜に透過させ
て透過液として排除し、必要な成分を濃縮した濃縮液を
得る場合、あるいはＢＯＤ成分等を含む廃液を流入して
、ＢＯＤ成分が濃縮された廃液の濃縮液を得る場合等の
膜分離装置における濃縮制御方法であり、特に濃縮すべ
き原液中に懸濁物が含有されていて、当該懸濁物も濃縮
されるために濃縮液の濃度が計測しずらい場合に好適に
用いられるものである。

〈従来の技術〉 従来から限外濾過膜や逆浸透膜のような透過膜を装着し
た膜分離装置の原液供給管から前述したような濃縮すべ
き原液を流入して、透過膜を透過する透過液を透過液管
から排除するとともに、透過膜を透過しない濃縮液を濃
縮管から得ることにより、原液中の濃縮しようとする成
分を濃縮液中に濃縮する操作が行われている。

このような濃縮操作において、一定濃度の濃縮液を得よ
うとする場合、たとえば第２図に示したようなフローに
より行われている。

すなわち第２図に示したように循環タンク５１に濃縮し
ようとする原液５２を液面計５９を用いて液位り、まで
一定量張り込み、次いで原液供給管５３を介してポンプ
５４を駆動して原液を透過膜５５が装着されている膜分
離装置５６に流入し、透過膜５５を透過した透過液を透
過液管５７がら流出するとともに、透過膜５５を透過し
ない濃縮液を濃縮液管５８から流出し、当該濃縮液を循
環タンク５１に循環するものである。

なお本フローで濃縮する場合は、原液中の濃縮しようと
する成分が分離可能な透過膜をあらかしめ選定し、当該
選定した透過膜５５を装着した膜分離装置５６を用いる
ことは言うまでもない。

第２図に示した従来のフローは基本的にはハツチ式の濃
縮であり、前記循環を行っている内に循環タンク５１の
液面がしだいに減少し、したがって得ようとする濃縮液
の濃度と原液の濃度からあらかじめ濃縮倍率を計算して
おき、張り込んだ原液の液位Ｌ１が前記濃縮倍率となる
液位Ｌ２まで循環濃縮を行えば一定濃度の濃縮液を得る
ことができる。

しかしながら第２図に示した従来のフローにおいては、
バッチ式であるために得られる濃縮液が断続的となり、
かつ濃縮に時間がかかるため、濃縮しようとする成分が
比較的不安定な場合は成分の変質を生ずるという問題が
ある。

また原液の濃度が変動した場合、その都度濃縮倍率を計
算し、前記液位Ｌ２の位置を変更する必要があるという
問題がある。

したがって原液の濃度が変動しても連続的に一定濃度の
濃縮液を得ようとする場合、第３図に示したフローが考
えられる。

すなわち濃縮液管５８にコントロール弁６０を設けると
ともに、濃度計６１を設け、ポンプ５４を駆動して原液
を原液供給管５３を介して透過膜５５が装着された膜分
離装置５６に流入し、濃度計６１の検出濃度によってコ
ントロール弁６０（Ｄ開度を調節して一定濃度の濃縮液
を連続的に濃縮液管５８から得るものである。

当該フローにおいて、濃度計６１による検出濃度があら
かじめ定めた濃度より薄い場合は、コントロール弁６０
の開度を減少させることにより濃縮液管５８の圧力損失
を増大させ、これにより濃縮液管５８から流出する濃縮
液流量を相対的に減少させるとともに、透過液管５７が
ら流出する透過液流量を相対的に増大させて、濃縮液の
濃度が濃くなるように制御し、また濃度計６１による検
出濃度があらかじめ定めた濃度より濃い場合は、コント
ロール弁６０の開度を増加させることにより、濃縮液管
５８の圧力損失を減少させ、これにより濃縮液管５８か
ら流出する濃縮液流量を相対的に増大させるとともに、
透過液管５７から流出する透過液流量を相対的に減少さ
せて、濃縮液の濃度が薄くなるように制御するものであ
る。

当該制御は、基本的には一定流量で供給する原液に対し
て原液濃度が変化した場合、濃縮液と透過液の流量バラ
ンスを変更することにより一定濃度の濃縮液を得ようと
するものであるが、原液の流量そのものが多少変動して
も追随することができる。なお第３図の一点鎖線で示し
たごとく濃縮液管５８に弁６３を有する循環配管６２の
一端を連通ずるとともにその他端をポンプ５４のザクジ
ョン側に連通して、たとえばコントロール弁６０が絞ら
れることによる透過膜入口側圧力の必要以上の上昇を防
止することもできる。

ところで第３図に示したフローは濃縮液の濃度を濃度計
で計測し、当該計測値を用いて一定濃度の濃縮液を得る
ように制御するものであるから、濃縮液濃度を計測する
ことが困難な場合は採用することができない。

たとえば果物や野菜を絞ったジュースを原液とし、これ
を膜分離装置によって、原液中の主に水分を透過させ、
原液中の繊維質等の懸濁物と糖、有機酸、灰分等の溶存
物とで形成される全固形分を濃縮して、いわゆる濃縮ジ
ュースを得る場合は、原液中に含まれる懸濁物の量はそ
れ程多くないので、後述する各種濃度計で、原液濃度は
計測可能であるが、これが膜分離装置で濃縮されると、
当該懸濁物の濃度が上昇し、濃縮液の濃度が計測困難と
なる。

すなわち従来から用いられている濃度計は、液体に通過
する光の屈折率から濃度を計測するもの（ブ’Ｊ　７ク
ス計）、紫外線吸収率から濃度を計測するもの、あるい
は光の透過率から濃度を計測するもの（吸光光度計）が
あるが、このような光あるいは紫外線を利用するものは
、濃縮液中に多量に存在する懸濁物によって、光あるい
は紫外線の通過が障害を受け、その濃度を精度よく計測
することができない。

なお液体の密度から濃度を計測する計器もあるが、この
場合も懸濁物が多量に含有されていると、測定誤差が大
きくやはり精度よく計測することができない。

このように濃縮液中に懸濁物が比較的多量含有されるこ
とにより、濃縮液の濃度を精度よく計測することができ
ない場合において、一定濃度の濃縮液を連続的に取り出
すことができる制御方法は従来から未解決の技術課題で
ある。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明は膜分離装置における前述した未解決の技術課題
を解決し、濃縮液の濃度を計測しなくとも、一定濃度の
濃縮液を連続的に得ることのできる制御方法を提供する
ことを目的とするものである。

〈問題点を解決するだめの手段〉 かかる目的を達成するためになされた本発明の請求項１
に記載した制御方法は、原液を原液供給管から透過膜を
装着した膜分離装置に流入して、透過膜を透過する透過
液を透過液管から排除することにより、透過膜を透過し
ない一定濃度の濃縮液を濃縮管から得るにあたり、一定
流量の原液を原液供給管から膜分離装置に流入するとと
もに、原液供給管に設けた濃度計により原液濃度を計測
して、当該原液濃度を演算制御器に入力し、入力された
当該原液濃度と、あらかじめ入力されている原液流量と
から、あらかじめ入力してある濃度の濃縮液を得るため
の濃縮液流量あるいは透過液流量を演算し、当該演算し
た濃縮液流量あるいは透過液流量になるように、濃縮液
管あるいは透過液管に設けた流量計と連動する濃縮液管
に設けた流量調節機構によって濃縮液流量を調節するこ
とを特徴とする膜分離装置における濃縮制御方法であり
、また本発明の請求項２に記載した制御方法は原液を原
液供梧管から透過膜を装着した膜分離装置に流入して、
透過膜を透過する透過液を透過液管から排除することに
より、透過膜を透過しない一定濃度の濃縮液を濃縮管か
ら得るにあたり、原液供給管に設けた濃度計により原液
濃度を計測して、当該原液濃度を演算制御器に人力し、
当該原液濃度とあらかじめ入力されている濃縮液流量と
濃縮液濃度から、原液流量を演算するとともに、演算し
た原液流量からあらかじめ入力されている前記濃縮液流
量を減じることにより透過液流量を演算し、演算した原
液流量になるように原液供給管に設けた流量調節機構に
よって原液流量を調節するとともに、演算された透過液
流量になるように、透過液管に設けた流量計と連動する
濃縮液管に設けた流量調節機構によって濃縮液流量を調
節することを特徴とする膜分離装置における濃縮制御方
法である。

〈作用〉 本発明における請求項１に記載した発明は、膜分離装置
に一定量の原液を供給すること、原液濃度を計測するこ
と、濃縮液濃度をあらかじめ定めておくことの３点から
原液濃度が変動しても、−定濃度の濃縮液を連続的に得
るものである。

すなわち原液流量をｖ、（ｒ＋？／Ｈ）　、原液中の濃
縮しようとする物質（Ｍ）の濃度（以下原液濃度という
）をＷ＋　（ｇ　／　ｎ？）とし、濃縮液流量をＶ２（
ボ／Ｈ）、濃縮液中の前記物質（Ｍ）の濃度（以下濃縮
液濃度という）をＷ２（ｇ／ｒ／）とした場合、当該物
質（Ｍ）が透過膜を透過しないという条件下においては
、以下の（１）式が成立する。

Ｖ＋ＸＶ／＋＝ＶｚＸＷｚ　　”　’　・・（１）した
がって原液流量ｖｌ、原液濃度ＷＩ、濃縮液濃度Ｗ２が
既知であれば、濃縮液流量■２は以下の（２）式より演
算できる。

なお（２）式により濃縮液流量Ｖ２が求められれば透過
液流量Ｄ　（ｎ？／Ｈ）は、（３）式より求めることが
できる。

Ｄ−Ｖ、−Ｖ２　　　・・・・・（３）本発明は上述し
た関係式に基づいて制御するものであり、演算制御器に
あらかじめ入力した原液流量■１、濃縮液濃度Ｗ２と原
液供給管に設けた濃度計の計測値すなわち、原液濃度Ｗ
、とから演算制御器によって（２）式あるいは（３）式
により濃縮液流量Ｖ２あるいは透過液流量りを演算し、
当該演算値になるように、濃縮液管あるいは透過液管に
設けた流量計に連動する濃縮液管に設けた流量調節機構
、たとえばコントロール弁によって濃縮液の流量を調節
するものである。

したがって本発明の制御方法によれば、原液流量があら
かしめ一定流量として定めであるので、原液濃度が上昇
すると、濃縮液流量が増加するとともに透過液流量が減
少し、また原液濃度が低下すると、濃縮液流量が減少す
るとともに透過液流量が増加する方向に制御されること
で、一定濃度の濃縮液が得られることとなる。

以下に本発明における請求項１記載の発明の実施態様を
図面に基づいて説明する。

第１図に示したごとく、限外濾過膜や逆浸透膜のような
透過膜１を装着した膜分離装置２の入口側に、流量調節
機能付ポンプ３を介して原液供給管４を連通ずるととも
に、膜分離装置２の濃縮液流出側にコントロール弁５を
介して濃縮液管６を連通し、また膜分離装置２の透過液
流出側に流量計７を介して透過液管８を連通ずる。

また流量調節機能付ポンプ３の上流側の原液供給管４に
濃度計９を設ける。

なお第１図に示した流量調節機能付ポンプ３は、分離膜
装置２で透過処理ができる比較的高い圧力を供給できる
ポンプで、かつ外部からの信号により一定の流量に自動
的に調節できるたとえばサーボ付往復動ポンプであるが
、透過処理に必要な圧力を出せるポンプであれば、その
流量調節機構が手動式のものでも差し支えない。

さらに本発明における請求項１記載の発明は、透過処理
に必要な圧力を有する一定流量の原液を膜分離装置２に
供給できる機構であればどんなものでもよく、たとえば
流量調節機能を有しないポンプとその下流に流量計とコ
ントロール弁を設け、当該流量計とコントロール弁を用
いて一定流量に維持するものでもよく、また場合によっ
ては、流量調節機能を有しないポンプの下流側に定流量
弁を設けたものでもよい。

なお濃度計９は濃縮しようとする成分の濃度を計測でき
るものであればどんなものでもよく、前述したごとく光
の屈折率、紫外線吸収率、光の透過率、液体の密度など
から濃度を計測する公知の濃度計を用いることができる
。

なお濃度計９において原液の濃度を計測する場合、たと
えば流量調節機能付ポンプ３の吐き出し側では、その圧
力が高すぎるので計測しすらい。

したがって第１図に示したごとく濃度計９を当該ポンプ
３の上流側に設けたが、たとえば圧力を低圧にする機構
を介在させれば濃度計９を当該ポンプ３の吐き出し側に
設けても差し支えない。

また原液の濃度を計測する場合、引圧下では計測しずら
いので、濃度計９の上流側に第１図に示したごとく２〜
３　ｋｇ　／　ｃｌ　Ｇ程度の低圧を発生できる低圧ポ
ンプ１０を設けることが望ましい。なお引圧下でも原液
濃度が計測できる、たとえば原液供給管４に直接センサ
ーを付設するような濃度計を用いれば低圧ポンプ１０を
省略することができる。

１１は演算制御器であって、あらかじめセットした流量
信号を流量調節機能付ポンプ３に発信するとともに、濃
度計９と流量計７の信号を受けて、これらの信号とあら
かじめ記憶している各要素の数値を用いて、あらかじめ
入力した演算式によって得られる値を信号としてコント
ロール弁５に送信するものであり、点線は計装的な信号
の入出力方向を示す。

次に操作を説明すると、まず当該膜分離装置２から得る
ことのできる濃縮液濃度Ｗ２と供給すべき原液流量■１
をあらかじめ決定し、当該決定した濃縮液濃度Ｗ２と原
液流量■１と、前述した演算式（２）および（３）とを
演算制御器１１にあらかじめ入力する。

次いで低圧ポンプ１０および流量調節機能付ポンプ３を
駆動して、前記決定した一定流量の原液を原液供給管４
を介して膜分離装置２に流入する。

なお第１図に示したフローでは演算制御器１１にあらか
じめ入力した原液流量になるように、演算制御器１１か
ら信号を発して流量調節機能付ポンプ３を制御するもの
であるが、前述したごとく、演算制御器１１に入力した
原液流量になるように、手動あるいはその他の機構によ
ってあらかじめ定めた一定流量になるようにしても差し
支えない。

流入した原液は、透過膜１を透過する透過液と透過しな
い濃縮液とに分かれ、透過液は透過液管８から、また濃
縮液は濃縮液管６から流出する。

一方原液供給管１０に設けた濃度計９により原液濃度Ｗ
１を計測するとともに、透過液管８に設けた流量計７に
より透過液流量りを計測し、両信号を演算制御器１１に
入力する。

ここにおいてあらかじめ入力されている原液流量ＶＩ、
濃縮液濃度Ｗ２および送信されてくる原液濃度Ｗｌとか
ら前述した演算式（２）および（３）により透過液流Ｍ
Ｄを求め、当該演算した透過液流量りと流量計７で計測
される実際に流出する透過液流量を比較し、両値が一致
していない場合は、−致するように濃縮液管６に設けた
コントロール弁５に信号を送り、当該コントロール弁５
の開度を調節することにより、前記両値を一致させるよ
うに制御する。

すなわち演算した透過液流量りより実際に流出する透過
液流量が大きい場合は、コントロール弁５の開度を増加
させて濃縮液流量を増加させるとともに、透過液流量を
減少させ、またその逆の場合は、コントロール弁５の開
度を減少させて濃縮液流量を減少させるとともに、透過
液流量を増大させるものである。

かかる制御を行うことにより、原液濃度が変化しても供
給する原液流量が一定であるかぎり、濃縮液濃度を計測
する操作をせずとも、一定濃度の濃縮液を得ることがで
きる。

なお第１図に示したフローでは流量計７を透過液管８に
設けたが、これに限定されず流量計７を濃縮液管６に設
けても差し支えない。

この場合は、前述した演算式（１）のみを用いて濃縮液
流量Ｖ２を演算し、当該演算した濃縮液流量■、と濃縮
液管６に設けた流量計７で計測した濃縮液流量とが一致
するようにコントロール弁５を制御するものである。

次に本発明における請求項２に記載した発明を説明する
。

本発明は、原液濃度を計測すること、濃縮液濃度をあら
かじめ定めておくこと、濃縮液流量をあらかじめ定めて
おくことの３点から原液濃度が変動しても一定濃度の濃
縮液を連続的に得るものである。

具体的には、原液供給管に設けた濃度計により原液濃度
Ｗ、を計測し、この計測値を演算制御器に入力し、当該
原液濃度Ｗ１とあらかじめ入力されている濃縮液流量■
２と濃縮液濃度Ｗ２とから、前記式（１）を変形した、
以下の（４）によってまず原液流量Ｖ１を演算する。

Ｉ 次いで当該演算した原液流量■１とあらかじめ入力して
ある前記濃縮流量■２とから前述した式（３）により透
過液流量りを演算し、このようにして演算された原液流
量■、となるように原液供給管に設けた流量調節機構に
よって原液流量を調節するとともに、また演算された透
過液流量りになるように、透過液管に設けた流量計と連
動する濃縮液管に設けた流量調節機構によって濃縮液流
量を調節するものである。

したがって本発明の制御方法によれば、濃縮液濃度と濃
縮液流量があらかじめ定めであるので、原液濃度が増加
すると原液流量と透過液流量が減少する方向に制御され
、また原液濃度が減少すると原液流量と透過液流量が増
加する方向に制御される。

以下に本発明における請求項２に記載の発明の実施態様
を図面に基づいて説明する。

請求項２に記載した発明のフローは、前述した請求項１
に記載した発明の説明で用いた第１図をそのまま援用で
きるので、以下に第１図を用いて説明する。

第１図において、まず演算制御器１１にあらかじめ決定
した濃縮液濃度Ｗ２と濃縮液流量■２を入力し、次いで
低圧ポンプ１０および流量調節機能付ポンプ３を駆動し
て原液供給管４から原液を供給する。原液は透過膜１に
よって濃縮液と透過液とに分かれ濃縮液は濃縮液管６か
ら、また透過液は透過液管８から流出する。一方原液供
給管４に設けた濃度計９により原液濃度Ｗ、を計測し、
その値を信号として演算制御器１１に入力する。

演算制御器１１は、まず入力された原液濃度ｗ１とあら
かじめ入力してある濃縮液濃度ｗ２と濃縮液流量ｖ２と
から前述した（４）式によって原液流量Ｖ、を演算し、
次いで当該演算した原液流量■１を用いて、あらかじめ
入力してある前記濃縮液流量Ｖ２とから前述した（３）
式を用いて、透過液流量りを演算する。

次いでこのようにして演算した原液流量ｖＩになるよう
に、演算制御器１１がら信号を発して流量調節機能付ポ
ンプ３を調節して原液供給管４に流入する原液流量を制
御し、また演算した透過液流量りと流量計７で計測され
る実際に流出する透過液流量とを比較し、両値が一致し
ていない場合バ一致するように濃縮液管６に設けたコン
トロール弁５に信号を送り、当該コントロール弁５の開
度を調節することにより、前記両値を一致させるように
制御する。

すなわち演算した透過液流量りより実際に流出する透過
液流量が大きい場合は、コントロール弁５の開度を増加
させて濃縮液流量を増加させるとともに、透過液流量を
減少させ、またその逆の場合は、コントロール弁５の開
度を減少させて濃縮液流量を減少させるとともに、透過
液流量を増大させるものである。

このようにして演算した透過液流量りと実際に流出する
透過液流量を一致させることにより、結果的に濃縮液管
６から実際に流出する濃縮液流量は、演算制御器１１に
あらかじめ入力した濃縮液流量ｖ２になり、あらかじめ
定めた一定濃度の濃縮液が得られることとなる。

以上のように請求項２に記載した発明においては、原液
濃度が減少した場合は、原液流量を増加させるとともに
、透過液流量を増加させることで、あらかじめ定めた一
定濃度のかつ一定流量の濃縮液を得、また原液濃度が増
加した場合は、原液流量を減少させるとともに透過液流
量を減少させることで、あらかじめ定めた一定濃度のか
つ一定流量の濃縮液を得るものである。

請求項２に記載した発明においても、第１図における低
圧ポンプ１０と流量調節機能付ポンプ３を有しないポン
プを設けるとともに、その吐出側の原液供給管にコント
ロール弁と流量計を設け、当該流量計とコントロール弁
とによって、演算制御器で演算した原液流量■１になる
ように、原液供給管に流入する原液流量を調節しても差
し支えない。

〈効果〉 以上説明したごとく、本発明の請求項１あるいは２に記
載した制御方法によれば、濃縮液濃度を計測せずともあ
らかじめ定めた濃度の濃縮液が連続して得られるので、
原液濃度が計測できても濃縮液濃度が計測しすらい、た
とえば果実や野菜を絞ったジュースのように懸濁物を含
む原液を膜分離装置で濃縮するような場合、卓越した効
果を発揮し産業に与える利益は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施態様を示すフローの説明図であり
、第２図、第３図は従来のフローを示す説明図である。 ■・・・透過膜　　　　　　２・・・膜分離装置３・・
・流量調節機能付ポンプ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原液を原液供給管から透過膜を装着した膜分離装置
   に流入して、透過膜を透過する透過液を透過液管から排
   除することにより、透過膜を透過しない一定濃度の濃縮
   液を濃縮管から得るにあたり、一定流量の原液を原液供
   給管から膜分離装置に流入するとともに、原液供給管に
   設けた濃度計により原液濃度を計測して、当該原液濃度
   を演算制御器に入力し、入力された当該原液濃度と、あ
   らかじめ入力されている原液流量とから、あらかじめ入
   力してある濃度の濃縮液を得るための濃縮液流量あるい
   は透過液流量を演算し、当該演算した濃縮液流量あるい
   は透過液流量になるように、濃縮液管あるいは透過液管
   に設けた流量計と連動する濃縮液管に設けた流量調節機
   構によって濃縮液流量を調節することを特徴とする膜分
   離装置における濃縮制御方法。 ２、原液を原液供給管から透過膜を装着した膜分離装置
   に流入して、透過膜を透過する透過液を透過液管から排
   除することにより、透過膜を透過しない一定濃度の濃縮
   液を濃縮管から得るにあたり、原液供給管に設けた濃度
   計により原液濃度を計測して、当該原液濃度を演算制御
   器に入力し、当該原液濃度とあらかじめ入力されている
   濃縮液流量と濃縮液濃度から、原液流量を演算するとと
   もに、演算した原液流量からあらかじめ入力されている
   前記濃縮液流量を減じることにより透過液流量を演算し
   、演算した原液流量になるように原液供給管に設けた流
   量調節機構によって原液流量を調節するとともに、演算
   された透過液流量になるように、透過液管に設けた流量
   計と連動する濃縮液管に設けた流量調節機構によって濃
   縮液流量を調節することを特徴とする膜分離装置におけ
   る濃縮制御方法。