JPH0356774B2 - - Google Patents

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JPH0356774B2
JPH0356774B2 JP19407583A JP19407583A JPH0356774B2 JP H0356774 B2 JPH0356774 B2 JP H0356774B2 JP 19407583 A JP19407583 A JP 19407583A JP 19407583 A JP19407583 A JP 19407583A JP H0356774 B2 JPH0356774 B2 JP H0356774B2
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JP
Japan
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pressure
approximately
psig
ultrafiltration
separation unit
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【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

この発明は、溶質、膠質の微片又は懸濁物質を
溶液又はこれを含む懸濁液から分離する方法に関
する。さらに詳しくは、この発明は上記の如き溶
液又は懸濁液を合成半透過性薄膜と接触させるこ
とによつて種々の分離物に加圧式に限外濾過する
方法に関する。 限外濾過法は溶液又は懸濁液の1種の分離方法
であつて、この場合、溶液又は懸濁液は、溶媒が
選択された薄膜を通して強制的に押流されるよう
な圧力を受けてその中で分解された溶媒が分別さ
れたものよりも可成り大きい寸法の溶質、膠質微
片又は懸濁物質を含む。一般に、「限外濾過法」
とは、分解された分子、膠質サイズの微片等を含
む加圧式分離方法を謂う。この語は溶媒分子の寸
法のほぼ10倍のオーダの分子量をもつ種を含む給
送流を含む分離作用に適用されることが好まし
い。 この比較的新規の分離技術を採用することによ
り多くの利点が認められ、就中、蒸発法、化学的
沈澱法、超遠心法のような従来の技術および従来
分離不能と考えられていた種を分離する能力に比
して、分離の実施時間、分離効率、一般に特に穏
やかな作業状態での使用、および運転費用の軽減
という点が考えられる。 穏やかな作業状態のような利点は、熱的に不安
定又は生物学的に活性物質を処理する場合には特
に重要である。 加圧活性化薄膜分離方法を使用するに当り、こ
の作業の成否は、大部分使用する薄膜の特性によ
つて左右される。薄膜の性質のうち望ましい特性
は、 (a) 許容し得る圧力の下で、薄膜の単位面積当り
に高速度で液体を移送する能力をもつ、溶剤に
対する良好な水圧透過性、 (b) 熱的、圧力的および化学的作業状態に対する
良好な機械的耐久性、 (c) 高い耐汚損性、 (d) 規定値を超えた分子量又は分子サイズの溶
質、懸濁物質又は膠質微片を完全に、又はほぼ
完全に保留する能力である。 当技術分野において現在用いられている限外濾
過技術において一般に使用する薄膜は、(a)均質性
薄膜か、(b)異方性薄膜のいずれかに分類すること
ができる。 均質性薄膜は、分離処理においてその使用に限
度があり、かつ普通のフイルターと同様であり、
かつ懸濁物質又は高分子量以外の種に対しては非
保持性である。これと対応して小型分子を保持す
るためにこのような薄膜を改変すると、これに伴
つて透過性の低下を来たす。そのうえ、このよう
な薄膜は、保持された種による内部汚損を生じ易
い。 溶質、懸濁物質又は膠質微片の分離に際して特
に望ましい薄膜の形態は、薄い表皮とその下に横
たわる支持用スポンジ状背材を有する顕微鏡でも
見えない微小有孔質の異方性薄膜である。異方性
薄膜の表皮面は非常に薄く、例えばほぼ0.1μから
ほぼ1.0μの圧さをもちかつ例えばほぼ1mμから
50mμの微小μ範囲の平均孔直径をもつ。薄膜構
造の平衡はさらに多孔質のポリマー構造を含み、
これを通して僅かな動水力学的抵抗をもつて、或
は全く動水力学的抵抗を示さずに流体が通過でき
る。このような薄膜が圧力流体と「表皮側」を接
触させて「分子フイルター」として使用されると
き、実際上、この薄膜を流通する流体に対するす
べての抵抗は、「表皮」において起り、「表皮」の
孔よりも大きい直径の分子又は粒体な選択的に保
留される。表皮層はこのような異例に薄い構造を
もち、かつ表皮層から微小孔質の支持層への遷移
は極めて急激であるから、この薄膜を通過流動す
る流体への動水力学的抵抗の総量は、極めて低
く、かつ分子又は粒体によつて内部閉塞や汚損を
このような薄膜が生じようとする傾向は大いに減
少される。 これらの薄膜は、例えば中空繊維、平坦シー
ル、らせん巻シート或は管状体のような種々の形
態をとることができる。この発明の目的には、中
空繊維製の薄膜を用いることが好適である。 現在使用されている限外濾過システムにおい
て、薄膜上に給送流の接線流を形成するのに用い
られる圧力は、低い値に制限かれてきており、正
確な圧力は、付加された圧力による破裂又は圧壊
に対する薄膜の抵抗性によつて左右される。一般
に、流入圧力は、薄膜の形態によりほぼ15乃至
100psig(1.05乃至7Kg/m2g)に制限される。
このような制限は、溶液分離目的に用いられる分
離装置をして完全に経済的に望ましい状態よりよ
低い程度でしばしば使用させることになる。限外
濾過ユニツト又はカートリツジは圧力制限の結果
としてほぼ1ft(0.30m)からほぼ4ft(1.22
m)のオーダーにその長さを制限され、凝集物除
去用正圧とカートリツジにおいて生ずる圧力降下
の総和は、使用する薄膜が耐えられる最大圧力よ
りも小さい。流入圧力のこのような抑制は作用溶
液を効率的に処理するこのシステムの能力を大幅
に制限する。所与の高速度分離作用を達成するた
めには、複数の限外濾過カ―トリツジを並列形態
で使用しなければならない。しかし、このような
組立体は過大な資本と運転費用を要する。 この発明の目的は、限外濾過装置組立体および
これを使用する方法を提供するにあり、即ち、こ
の限外濾過に使用する薄膜が効率よく機能する作
用範囲が大いに増大され、かつこれにより、この
システムに関連する装置および/またはエネルギ
に対する要求事項は徹底的に減少される。 この発明の他の目的は本発明についての以下の
説明から当業者には明らかであろう。 この発明によれば、上記目的は、複数の限外濾
過カートリツジを直列配置に結合し、分離すべき
給送流を選択された特定の薄膜に対する正規最大
許容透膜圧力を超える圧力で導入し、使用した特
定の薄膜に対し正規許容最大透膜圧力差を流入圧
力を超える場所における各カートリツジ内の薄膜
の透過側に背圧を同時に加えることによつて達成
される。このシステムによつて得られる利点は、
後述の説明さら明らかになろう。 本文で用いる用語「透過する」とは、流れが薄
膜表面を通過することを言い、用語「凝集する」
とは、フイルタから流出する流れの部分が滞留し
た非透過性の種を含むことを言う。 限外濾過用薄膜を内臓するカートリツジ又はユ
ニツトの作用は、一般に2つの圧力差の概念で述
べることができ、それらは、流体力学的圧力差
(ΔPHYD)と、薄膜透過圧力差(ΔPTM)であ
る。 流体力学的圧力差は、薄膜を横切る接線流とし
て処理流体を移動するのに要する駆動力で、これ
はカートリツジの流入部と流出部における処理側
の圧力差として計算され ΔPHYD=P1−P2であらわされ、 ここにP1は流入圧力、P2は流出部における圧
力である。この流体力学的圧力差は、流体力学の
衆知の方程式により薄膜表面を横切る処理溶液の
速度v(ft/sec)を定める。この速度は限外濾過
システムにおける重要な因子であつて、薄膜の透
過速度と、もしあるとすれば汚損速度のいずれに
も影響する。所与の薄膜および処理流体に対し
て、処理流体の速度は一般に v=f(ΔPHYD,T)であらわされ、 ここにfは一般化された関数表示であり、Tは
処理流体の温度である。よつて、もし温度Tが一
定に保たれれば、処理流体の速度は、加えられた
絶対圧力ではなく、単に流体力学的圧力差の関数
となる。 薄膜透過圧力差(ΔPTM)は透過のための駆
動力であり、活性薄膜表面を横切る圧力の差とし
て計算される。この圧力差は流体力学的圧力に従
つて薄膜表面に沿つて変化し、又はもしPxを所
与の点における処理側圧力としかつP3を薄膜の
透過側における圧力とすれば、薄膜透過圧力差
は、ΔPTM=Px−P3であらわされる。これによ
り、最低薄膜透過圧力差はカートリツジの流出部
において起り、最高薄膜透過圧力差は、常にカー
トリツジの流入部において起る。 すべての限外濾過用薄膜の性能は、一般にこの
薄膜が破裂を起さずに長期間の連続使用に対して
耐性を保つことの最大薄膜透過圧力差によつて制
限される。このことは、薄膜が短時間で或は反覆
的に高い圧力に対して作用されないことを意味す
るものではない。これは、支持してなく、従つて
一般にほぼ15乃至50psig(1.05乃至3.5Kg/cm2g)
のオーダー比較的低い最大ΔPTMをもつ中空繊
維製薄膜の場合において特に事実である。よつ
て、薄膜の透過性の圧力が通常ゼロであつた従来
用いられらた薄膜において、最大許容流入又は処
理側圧力は最大許容薄膜透過圧力差(ΔPTMnax
=P1)に等しかつた。 以下、附図を参照しつつこの発明を説明する。 第1図は、単基の薄膜カートリツジを示しこの
カートリツジは、最大薄膜透過圧力差25psig
(1.75Kg/cm2g)をもち、流入部圧力25psig
(1.75Kg/cm2g)のよび流出部圧力10psig(0.7
Kg/cm2g)即ち(ΔPHYD−15psig(1.05Kg/cm2
g)をもつて作用し、この結果、流速Qgpmおよ
び透過速度pgpmを得る。 標準状態において、もし分離作業が2pgpmの
生産透過速度を要求すれば、並列配置の2基のカ
ートリツジが必要となり、このカートリツジはい
ずれも第1図の単一カートリツジと同一状態の下
で作用する。 もし2基のカートリツジを直列に配置しかつ最
初の直列配置カートリツジ(第3図に示す如き)
において25psig(1.75Kg/cm2g)の流入部圧力
を維持すれば、薄膜表面に隣接する処理流の流速
が減少することにより2pgpmの透過生産速度は
得られず、この場合、直列結合のカートリツジの
流速は、同一のΔPに対し2基の並列配量のカー
トリツジの流速のほぼ1/2である。また、流入部
圧力を25psig(1.75Kg/cm2g)以上にすれば、
この圧力増加は、カートリツジ流入部における薄
膜透過圧力は選択された薄膜に対し許容される最
大ΔPTMを超えることを必要とさせるから、こ
の手段では等しい性能わ得られない。 第4図および第5図は、この発明の発明概念を
示し、即ち複数のカートリツジが直列に結合さ
れ、このシステムへの流入圧力は薄膜に対する最
大許容圧力を可成り超え、かつ規定最大ΔPTM
を超えるΔPTMをもつ各カートリツジの透過側
は使用する特定の薄膜用の規定最大Δを超えずに
カートリツジ内にPTMを発生することが必要な
範囲には独立に背圧が加えられる。 第4図に示すように、第1図の流速Qを複式化
するために、流入部圧力は40psig(28Kg/cm2g)
に増加されかつカートリツジBの透過側において
用いられた背圧調整器は透過側において15psig
(1.05Kg/cm2g)の一定圧力を維持する。カート
リツジBの透過側に15psig(1.05Kg/cm2g)の
背圧を加えると、流入部におけるΔPTMを許容
の25psig(1.75Kg/cm2g)に減ずるのに用いら
れる。薄膜の処理側を横切つて15psig(1.05
Kg/cm2g)の圧力降下(ΔPHYD)を与えると、
カートリツジAの流入部圧力は25psig(1.75
Kg/cm2g)であつて、この薄膜の透過側には何等
の背圧も必要としない。このような処理方法の正
味の効果は、所与の処理流速Qに対するシステム
の透過能力を倍加する。流体流速非を処理するこ
の改良された透過能力は小型のシステムサイズを
得ることを可能にし、従つて資金を軽減し従来の
高価な分離技術を経済的に魅力的にする。高い圧
力の使用は最初は不利点をあらわすが、この不利
点は認識された次の能力上の利点によつて償つて
余りある。 第1図乃至第5図に示す方法を実施するのに必
要な馬力は hp=流量×圧力/1714で計算される。 並列と直列結合の加圧装置に対するエネルギ所
要量の比較において、この場合、透過収量は第2
図および第4図に見るように2pである。 (1) 並列配置 hp=2Q×25/1714=0.0292Q (2) 与圧透過式直列配置 hp=Q×40/1714= 0.0233Q 上の結果から明らかなように、与圧透過式直列
配置形態は、高い初度流入圧力を必要とするが、
エネルギー消費は大いに少く、エネルギ所要量に
おいて20.2%の減少を示す。このシステムに要す
るhpエネルギ当りの基準として透過速度pを用
いる性能面において、効率を比較すると、 (1) 並列配置=能力/hp=2p/0.0292Q=68.5p/Q (2) 与圧透過式直列配置 =能力/hp=2p/0.0233Q=85.8p/Q これにより、与圧透過式直列配置形態は25.3%
だけ一層効率よく作用しかつ所与のエネルギ入力
に対して25.3%大きい能力で送出する。 第5図に示すように、最後の直列カートリツジ
を除き、各カートリツジ内の透過背圧を独立に調
整する2基を超えるカートリツジへの与圧直列式
配置概念の適当により、2基カートリツジ与圧直
列式配置によつて得られるものより高い性能値を
得る。第5図に示す処理方法において、55psig
(3.85Kg/cm2g)の初度流入部圧力が、30psig
(2.1Kg/cm2g)の背圧をもつてカートリツジCに
用いられ、カートリツジBにおいては、15psig
(1.05Kg/cm2g)の背圧が40psig(2.8Kg/cm2g)
の流入部圧力に対して加えられた。以下の説明か
ら明らかなように3p出力を基礎とするこのシス
テムの効率は、3基カートリツジの並列配置の性
能以上に大きい進展を示す。 1 並列配置hp=3Q×25/1714=0.0438Q 与圧透過式直列配置hp=Q×55/1714=0.0321Q 2 並列配置能力/hp=3p/0.0438Q=68.5p/Q 与圧透過式直列配置能力/hp =3p/0.0321Q=93.5p/Q このように、3基カートリツジ与圧透過式直列
形態は能力/hpを基にして測定したとき効率に
おいて36.5%の増加をあらわす。 この発明による与圧透過式直列配置装置は中空
繊維、らせん巻、管状型を含む種々の薄膜のうち
任意の一般に用いられている種々の薄膜カートリ
ツジを用いることができる。 カートリツジに用いる異方性薄膜は、合成重合
材料、特に水吸着性を低い材料の中から広く選択
できる。使用されるこのようなポリマーとして
は、ポリカーボネート、ポリアミド、弗化ポリビ
ニリデンのようなハロゲン化重合体、ポリクロロ
エーテル、ポリアセタール、ポリアクリル酸、ポ
リウレタン、ポリイミド、ポリビニルアセテー
ト、ポリエーテル等を含む。 この発明の与圧透過式直列配置多重カートリツ
ジシステムを設定するに際し、選択された薄膜
は、適切な流入装置、凝集物除去装置、透過物抽
出装置、薄膜の透過側における予め定めた背圧を
提供する装置、および選択された数のカ―トリツ
ジを直列に結合する装置を具備する適切な耐圧カ
ートリツジ内に収容される。既述のように、直列
結合の最後のカートリツジは、背圧を発生する装
置を必要としない。 2基乃至約8基のカートリツジを含む直列配置
を提供することはできるが、一般にシステム内の
カートリツジを2基乃至3基に制限することが好
適である。 与圧透過式直列配置の経済的の意義は、限外濾
過処理に用いられる標準マニホールド直径の使用
と同一の透過生産速度に対する普通型並列配置形
態との比較によつて得られた次の比較資料によつ
て示される。 148カートリツジシステムに対する経費比較は、
与圧透過式直列配置システムから得られる驚くべ
き経済上の利点を示す。
The present invention relates to a method for separating solutes, colloid particles or suspended matter from solutions or suspensions containing the same. More particularly, the present invention relates to a method for pressurized ultrafiltration of various separation products by contacting solutions or suspensions as described above with synthetic semipermeable membranes. Ultrafiltration is a method of separating solutions or suspensions in which the solution or suspension is subjected to pressure such that the solvent is forced through a selected thin membrane. The solvent decomposed therein contains solutes, colloidal particles, or suspended matter of significantly larger size than those in which it was fractionated. Generally, "ultrafiltration method"
refers to a pressurized separation method that includes decomposed molecules, colloid-sized particles, etc. The term is preferably applied to separation operations involving feed streams containing species with molecular weights on the order of approximately 10 times the size of the solvent molecules. Many advantages have been observed in employing this relatively new separation technique, among them the separation of species previously thought to be inseparable from conventional techniques such as evaporation, chemical precipitation, and ultracentrifugation. Compared to the ability to separate, consideration is given to the time to carry out the separation, the efficiency of the separation, the use in generally particularly mild working conditions, and the reduced operating costs. Advantages such as gentle working conditions are particularly important when processing thermally unstable or biologically active substances. When using pressure activated thin film separation methods, the success or failure of this operation depends in large part on the properties of the thin film used. Desirable membrane properties include (a) good hydraulic permeability to solvents with the ability to transport liquid at high rates per unit area of the membrane under acceptable pressure; (b) thermal (c) high fouling resistance; (d) completely free of solutes, suspended solids or colloid particles with molecular weights or sizes exceeding specified values; Or the ability to withhold it almost completely. Membranes commonly used in ultrafiltration techniques currently used in the art can be classified as either (a) homogeneous membranes or (b) anisotropic membranes. Homogeneous thin membranes have limited use in separation processes and are similar to ordinary filters;
and non-retentive to suspended solids or species other than high molecular weight species. Correspondingly, modification of such membranes to retain small molecules results in a corresponding decrease in permeability. Moreover, such thin films are susceptible to internal fouling by retained species. A particularly desirable membrane morphology for the separation of solutes, suspended solids or colloidal particles is a microscopically microporous anisotropic membrane having a thin skin and an underlying supporting spongy backing. The skin surface of the anisotropic thin film is very thin, for example, with a pressure of approximately 0.1μ to approximately 1.0μ, and for example, a pressure of approximately 1μ to approximately 1μ.
It has an average pore diameter in the microμ range of 50 mμ. The equilibrium of the thin film structure further includes a porous polymer structure;
Fluids can pass through this with little or no hydrodynamic resistance. When such a membrane is used as a ``molecular filter'' with its ``skin side'' in contact with a pressurized fluid, virtually all resistance to the fluid flowing through this membrane occurs in the ``skin''; Molecules or particles with a diameter larger than the pores are selectively retained. Because the skin layer has such an unusually thin structure, and the transition from the skin layer to the microporous support layer is so abrupt, the total amount of hydrodynamic resistance to fluid flowing through this membrane is , and the tendency of such thin films to become clogged or fouled by molecules or particulates is greatly reduced. These membranes can take a variety of forms, such as hollow fibers, flat seals, spirally wound sheets or tubular bodies. For the purposes of this invention, it is preferred to use hollow fiber membranes. In currently used ultrafiltration systems, the pressure used to form the tangential flow of the feed stream over the membrane has been limited to low values, and the exact pressure is or depends on the resistance of the thin film to crushing. Generally, the inlet pressure is approximately 15 to
Limited to 100 psig (1.05-7 Kg/m 2 g).
Such limitations often cause separation equipment used for solution separation purposes to operate at a lower degree than is entirely economically desirable. Ultrafiltration units or cartridges have a range of approximately 1 ft (0.30 m) to approximately 4 ft (1.22 m) as a result of pressure limitations.
m), the sum of the positive agglomerate removal pressure and the pressure drop occurring in the cartridge is less than the maximum pressure that the membrane used can withstand. Such suppression of inlet pressure significantly limits the system's ability to efficiently process working solutions. To achieve a given high rate separation effect, multiple ultrafiltration cartridges must be used in parallel configuration. However, such assemblies require significant capital and operating costs. It is an object of the present invention to provide an ultrafiltration device assembly and a method of using the same, in which the range of action within which the thin membrane used for ultrafiltration functions efficiently is greatly increased, and thereby: The equipment and/or energy requirements associated with this system are drastically reduced. Other objects of the invention will be apparent to those skilled in the art from the following description of the invention. According to the invention, the above object is achieved by combining a plurality of ultrafiltration cartridges in a series arrangement and introducing the feed stream to be separated at a pressure exceeding the normal maximum permissible membrane pressure for the particular selected membrane; This is accomplished by simultaneously applying backpressure to the permeate side of the membrane in each cartridge at locations where the inlet pressure exceeds the maximum transmembrane pressure difference normally allowed for the particular membrane used. The advantages gained by this system are:
The explanation below will become clearer. The term "permeate" used in this text refers to flow passing through a thin film surface, and the term "coagulate"
means that the portion of the stream exiting the filter contains stagnant non-permeable species. The action of a cartridge or unit containing an ultrafiltration membrane can generally be described in terms of two pressure differences: the hydrodynamic pressure difference (ΔPHYD) and the transmembrane pressure difference (ΔPTM). . Hydrodynamic pressure differential is the driving force required to move the process fluid as a tangential flow across the membrane, and is calculated as the process side pressure difference at the inlet and outlet of the cartridge: ΔPHYD = P 1 − P 2 where P 1 is the inlet pressure and P 2 is the pressure at the outlet. This hydrodynamic pressure difference determines the velocity v (ft/sec) of the processing solution across the membrane surface by well-known equations of fluid mechanics. This rate is an important factor in ultrafiltration systems, affecting both the membrane permeation rate and the rate of fouling, if any. For a given thin film and processing fluid, the velocity of the processing fluid is generally expressed as v = f(ΔPHYD,T), where f is a generalized functional representation and T is the temperature of the processing fluid. . Thus, if the temperature T is held constant, the velocity of the process fluid is simply a function of the hydrodynamic pressure difference, rather than the absolute applied pressure. Transmembrane pressure difference (ΔPTM) is the driving force for permeation and is calculated as the difference in pressure across the active membrane surface. This pressure difference varies along the membrane surface according to the hydrodynamic pressure, or if P x is the process side pressure at a given point and P 3 is the pressure on the permeate side of the membrane, then the transmembrane pressure The difference is expressed as ΔPTM=P x −P 3 . This ensures that the lowest transmembrane pressure difference always occurs at the outlet of the cartridge and the highest transmembrane pressure difference always occurs at the inlet of the cartridge. The performance of all ultrafiltration membranes is generally limited by the maximum transmembrane pressure differential at which the membrane remains resistant to long periods of continuous use without rupture. This does not mean that the membrane cannot be subjected to high pressures briefly or repeatedly. This is unsupported and therefore typically approximately 15 to 50 psig (1.05 to 3.5 Kg/cm 2 g)
This is especially true in the case of hollow fiber membranes with a relatively low maximum ΔPTM of the order of . Therefore, in conventionally used thin membranes where the permeability pressure of the membrane is usually zero, the maximum allowable inflow or process side pressure is the maximum allowable thin membrane permeation pressure difference (ΔPTM nax
= P 1 ). The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Figure 1 shows a single membrane cartridge with a maximum membrane permeation pressure difference of 25 psig.
(1.75Kg/cm 2 g), inlet pressure 25 psig
(1.75 Kg/cm 2 g) and outlet pressure 10 psig (0.7
Kg/cm 2 g) or (ΔPHYD−15psig (1.05Kg/cm 2
g), resulting in a flow rate Qgpm and a permeation rate pgpm. Under standard conditions, if a separation operation required a production permeation rate of 2 pgpm, two cartridges in parallel would be required, both operating under the same conditions as the single cartridge of FIG. If two cartridges are placed in series and the first series cartridge (as shown in Figure 3)
If we maintain an inlet pressure of 25 psig (1.75 Kg/cm 2 g) at The flow rate is approximately 1/2 that of two cartridges dispensing in parallel for the same ΔP. Also, if the inlet pressure is set to 25 psig (1.75 Kg/cm 2 g) or more,
Equal performance is not obtained by this measure since this pressure increase requires that the transmembrane pressure at the cartridge inlet exceed the maximum ΔPTM allowed for the selected membrane. 4 and 5 illustrate the inventive concept of the present invention, i.e. a plurality of cartridges are coupled in series, the inlet pressure into the system significantly exceeds the maximum allowable pressure for the membrane, and the specified maximum ΔPTM
The permeate side of each cartridge with a ΔPTM exceeding ΔPTM is independently back-pressured to the extent necessary to generate a PTM within the cartridge without exceeding the specified maximum Δ for the particular membrane used. As shown in Figure 4, in order to double the flow rate Q in Figure 1, the inlet pressure is 40 psig (28 Kg/cm 2 g).
The back pressure regulator increased to 15 psig on the permeate side and used on the permeate side of cartridge B.
Maintain a constant pressure of (1.05Kg/cm 2 g). A backpressure of 15 psig (1.05 Kg/cm 2 g) on the permeate side of cartridge B is used to reduce the ΔPTM at the inlet to an acceptable 25 psig (1.75 Kg/cm 2 g). 15 psig (1.05 psig) across the treated side of the membrane
Given a pressure drop (ΔPHYD) of Kg/cm 2 g),
The inlet pressure of cartridge A is 25 psig (1.75
kg/cm 2 g) and does not require any back pressure on the permeate side of the membrane. The net effect of such a treatment method is to double the permeation capacity of the system for a given treatment flow rate Q. This improved permeation ability to handle fluid flow rates allows compact system sizes to be obtained, thus reducing capital and making conventional expensive separation techniques economically attractive. Although the use of high pressures initially represents a disadvantage, this disadvantage is more than compensated for by the perceived performance advantages. The horsepower required to carry out the method shown in FIGS. 1-5 is calculated as hp=flow x pressure/1714. In comparing the energy requirements for parallel and series coupled pressurization devices, in this case the permeation yield is
As shown in the figure and Fig. 4, it is 2p. (1) Parallel arrangement hp=2Q×25/1714=0.0292Q (2) Pressurized permeable series arrangement hp=Q×40/1714= 0.0233Q As is clear from the above results, pressurized permeable series arrangement requires a high initial inlet pressure, but
Energy consumption is much lower, representing a 20.2% reduction in energy requirements. In terms of performance, using the permeation rate p as a standard for the hp energy required for this system, the efficiency is compared as follows: (1) Parallel arrangement = capacity / hp = 2p / 0.0292Q = 68.5p / Q (2) Pressurized permeation type Series arrangement = Capacity/hp = 2p/0.0233Q = 85.8p/Q As a result, the pressurized permeable series arrangement form is 25.3%
It works even more efficiently and delivers 25.3% more capacity for a given energy input. As shown in FIG. 5, by applying the pressurized series arrangement concept to more than two cartridges, which independently adjusts the permeate back pressure in each cartridge except the last cartridge in series, two cartridges can be pressurized in series. We obtain higher performance values than those obtained by formula arrangement. In the treatment method shown in Figure 5, 55 psig
(3.85Kg/cm 2 g), the initial inlet pressure is 30 psig
(2.1Kg/cm 2 g) of back pressure and 15 psig for cartridge B.
(1.05Kg/cm 2 g) back pressure is 40 psig (2.8Kg/cm 2 g)
applied to the inlet pressure. As will be clear from the following discussion, the efficiency of this system based on 3p output represents a significant advance over the performance of the parallel arrangement of three cartridges. 1 Parallel arrangement hp = 3Q x 25 / 1714 = 0.0438Q Pressurized permeable series arrangement hp = Q x 55 / 1714 = 0.0321Q 2 Parallel arrangement capacity / hp = 3p / 0.0438Q = 68.5p / Q Pressurized permeable series Placement Capacity/hp = 3p/0.0321Q = 93.5p/Q Thus, the three cartridge pressurized permeable series configuration represents a 36.5% increase in efficiency when measured on a capacity/hp basis. The pressurized permeable in-line device of this invention can utilize any of a variety of commonly used membrane cartridges, including hollow fiber, spiral wound, and tubular types. The anisotropic thin film used in the cartridge can be selected from a wide range of synthetic polymeric materials, especially materials with low water adsorption properties. Such polymers that may be used include polycarbonates, polyamides, halogenated polymers such as polyvinylidene fluoride, polychloroethers, polyacetals, polyacrylic acids, polyurethanes, polyimides, polyvinyl acetates, polyethers, and the like. In setting up the pressurized permeate in-line multiple cartridge system of the present invention, the selected membranes are provided with appropriate inflow devices, aggregate removal devices, permeate extraction devices, and a predetermined back pressure on the permeate side of the membranes. and a device for coupling the selected number of cartridges in series. As mentioned above, the last cartridge in the series combination does not require a backpressure generating device. Although serial arrangements containing two to about eight cartridges can be provided, it is generally preferred to limit the number of cartridges in the system to two to three. The economic significance of the pressurized permeate series configuration is demonstrated by the following comparative data obtained by comparing the use of standard manifold diameters used in ultrafiltration processes with a conventional parallel configuration for the same permeate production rate. It is shown by. The cost comparison for the 148 cartridge system is
The surprising economic benefits obtained from a pressurized permeable series arrangement system are demonstrated.

【表】 次の例はこの発明を示すものである。 例 1 電気泳動塗料 第4図に示す如き装置において、PPGNo.3002H
陰極電気泳動塗料のほぼ22gpmの流れが、
massachusetts州01801,Woburn,Cummings,
Park100所在のRomicon,Inc.から入手された2
期のHF26.5−43−CXMカートリツジを用いた限
外濾過の一連の試験を受けた。その結果はつぎの
如くである。
Table The following example illustrates the invention. Example 1 Electrophoretic paint In the device shown in Figure 4, PPG No. 3002H
A flow of approximately 22 gpm of cathodic electrophoretic paint is
Massachusetts 01801, Woburn, Cummings,
2 obtained from Romicon, Inc. located at Park100.
A series of ultrafiltration tests were conducted using a HF26.5-43-CXM cartridge. The results are as follows.

【表】 例 2 チーズ乳漿(ホエー) チエダーチーズ製造施設から生産されたホエー
のたん白質含有量は乾燥量基準でほぼ12%であ
る。Romicon HF26.5−43−PM10中空繊維の限
外濾過用薄膜は、ホエーのたん白質含有量を選択
的に凝集しかつ低分子量砂糖と灰を薄膜を通過さ
せることによつて、35%たん白質製品にこのホエ
ーのたん白質含有量を容易に増大される。この薄
膜は1日20時間操業で120000galのチエダーチー
ズホエーを35%たん白質レベルに処理するのに
204基のHF26.5−PM10型カートリツジを必要と
する。この能力をもつ大きさの1工場の標準配列
配置形態設備に対して与圧透過式直列配置形態設
備が達成した資本およびエネルギ費の節約はつぎ
の如くである。
[Table] Example 2 Cheese Whey Whey produced from a cheddar cheese production facility has a protein content of approximately 12% on a dry basis. Romicon HF26.5−43−PM10 hollow fiber ultrafiltration membrane selectively aggregates the protein content of whey and allows low molecular weight sugars and ash to pass through the membrane, reducing the protein content by 35%. The protein content of this whey is easily increased into products. This membrane is capable of processing 120,000 gal of cheddar cheese whey to a 35% protein level in a 20-hour day.
Requires 204 HF26.5-PM10 type cartridges. The capital and energy cost savings achieved by the pressurized permeable series configuration facility over a single factory standard array configuration facility of this capacity size are as follows.

【表】 例 3 チーズホエー 例2で示された与圧透過式技術の利点は、340
基のカートリツジを要する210000gpdシステムに
対し、下記のような大型および小型システムのい
ずれにおいても得ることができる。
[Table] Example 3 Cheese whey The advantage of the pressurized permeation technology shown in Example 2 is that the 340
For 210,000 gpd systems requiring standard cartridges, it can be obtained in both large and small systems such as:

【表】【table】 【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図乃至第5図は、従来型並列分離システム
とこの発明に係るシステムの性能間の差異、およ
びこの発明により得られる諸利点を示す図であ
る。 A,B,C……カートリツジ、V……弁。
1-5 are diagrams illustrating the differences in performance between a conventional parallel isolation system and a system according to the present invention, and the advantages provided by the present invention. A, B, C...cartridge, V...valve.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 溶質、膠質の微片または懸濁物質をこれらの
物質の溶液または懸濁液から限外濾過により分離
する限外濾過方法であつて、 (a) 限外濾過用の薄膜を含む複数の分離ユニツト
を直列配置の流動形態に連結し、これにより少
なくとも第1の分離ユニツト、最終の分離ユニ
ツトおよび随意の中間の分離ユニツトを備える
ステツプと、 (b) 分離すべき溶液または懸濁液を、前期薄膜に
対する最大許容薄膜透過圧力差を超える圧力で
第1の分離ユニツト内に導入するステツプと、 (c) 前期薄膜に対する最大許容薄膜透過圧力差を
超えない薄膜透過圧力差が前記第1の分離ユニ
ツト内に発生するように、同時に、前記薄膜の
透過側に背圧を加えるステツプと、 (d) 少なくとも各中間の分離ユニツトごとにステ
ツプ(b)および(c)を繰返すステツツプと、 (e) 各分離ユニツトから透過液を取り出すステツ
プと、 (f) 溶質、膠質の微片または懸濁物質を含む濃縮
液を直列に連結された最後の分離ユニツトから
回収するステツプを含むことを特徴とする限外
濾過方法。 2 前記薄膜が中空繊維薄膜である特許請求の範
囲第1項記載の限外濾過方法。 3 2台の分離ユニツトが直列に連結されている
特許請求の範囲第2項記載の限外濾過方法。 4 3台の分離ユニツトが直列に連結されている
特許請求の範囲第2項記載の限外濾過方法。 5 ステツプ(b)と(c)が最終の分離ユニツト内で繰
返される特許請求の範囲第1項記載の限外濾過方
法。 6 ほぼ40ないし80psig(2.8ないし5.6Kg/cm2
g)の範囲の流入部圧力とほぼ15ないし55psig
(1.05ないし3.85Kg/cm2g)の範囲の背圧とが前
記直列配置の最初の分離ユニツトに加えられる特
許請求の範囲第3項記載の限外濾過方法。 7 ほぼ40psig(2.8Kg/cm2g)の流入部圧力と
ほぼ15psig(1.05Kg/cm2g)の背圧とが前記直
列配置の最初の分離ユニツトに加えられる特許請
求の範囲第3項記載の限外濾過方法。 8 ほぼ50ないし120psig(3.5ないし8.4Kg/cm2
g)の流入部圧力とほぼ25ないし95psig(1.75
ないし6.65Kg/cm2g)の背圧とが前記直列配置の
最初の分離ユニツトに加えられ、ほぼ40ないし
80psig(2.8ないし5.6Kg/cm2g)の流入部圧力と
ほぼ15ないし55psig(1.05ないし3.85Kg/cm2g)
の背圧とが前記直列配置の第2の分離ユニツトに
加えられる特許請求の範囲第4項記載の限外濾過
方法。 9 ほぼ55psig(3.85Kg/cm2g)の流入部圧力
とほぼ30psig(2.1Kg/cm2g)の背圧とが前記直
列配置の最初の分離ユニツトに加えられ、ほぼ
40psig(2.8Kg/cm2g)の流入部圧力とほぼ15psi
g(1.05Kg/cm2g)の背圧とが前記直列配置の第
2の分離ユニツトに加えられる特許請求の範囲第
4項記載の限外濾過方法。 10 前記薄膜がほぼ1ないしほぼ50nmの範囲
の平均多孔度をもつ特許請求の範囲第1項記載の
限外濾過方法。 11 (a) 直列配置の流動形態に連結され、限外
濾過用の薄膜を含む複数の耐圧フイルタカート
リツジと、 (b) 前記耐圧フイルタカートリツジそれぞれの内
部に位置する流入手段と、 (c) 各耐圧フイルタカートリツジ内に設けられ、
濃縮液を取り出す手段と、 (d) 各耐圧フイルタカートリツジ内に設けられ、
透過液を取り出す手段と、 (e) 分離すべき溶液または懸濁液を、最終の耐圧
フイルタカートリツジを除く各耐圧フイルタカ
ートリツジに、前記薄膜に対する最大許容薄膜
透過圧力差を超える圧力で導入する手段と、 (f) 前記薄膜に対する最大許容薄膜透過圧力差を
超えない薄膜透過圧力差を各耐圧フイルタカー
トリツジ内に発生するために、前記最終の耐圧
フイルタカートリツジを除く各耐圧フイルタカ
ートリツジの透過側に同時に背圧を供給する手
段と、 (g) 前記耐圧フイルタカートリツジを前記直列配
置に連結する手段を含む限外濾過装置。 12 2個の耐圧フイルタカートリツジが直列に
連結されている特許請求の範囲第11項記載の限
外濾過装置。 13 3個の耐圧フイルタカートリツジが直列に
連結されている特許請求の範囲第11項記載の限
外濾過装置。 14 前記直列配置の最終の耐圧フイルタカート
リツジに背圧を付与する手段を含む特許請求の範
囲第11項記載の限外濾過装置。
[Scope of Claims] 1. An ultrafiltration method for separating solutes, colloid particles, or suspended substances from solutions or suspensions of these substances by ultrafiltration, comprising: (a) an ultrafiltration method for ultrafiltration; (b) connecting a plurality of separation units comprising thin membranes in a serially arranged flow configuration, thereby comprising at least a first separation unit, a final separation unit and an optional intermediate separation unit; (c) introducing the suspension into the first separation unit at a pressure that exceeds the maximum allowable transmembrane pressure difference across the membrane; (d) repeating steps (b) and (c) for at least each intermediate separation unit; (e) removing permeate from each separation unit; and (f) recovering a concentrate containing solutes, colloid particles or suspended matter from the last separation unit in the series. An ultrafiltration method characterized by: 2. The ultrafiltration method according to claim 1, wherein the thin film is a hollow fiber thin film. 3. The ultrafiltration method according to claim 2, wherein two separation units are connected in series. 4. The ultrafiltration method according to claim 2, wherein three separation units are connected in series. 5. The ultrafiltration method according to claim 1, wherein steps (b) and (c) are repeated in a final separation unit. 6 Approximately 40 to 80 psig (2.8 to 5.6 Kg/cm 2
g) with inlet pressures in the range of approximately 15 to 55 psig
4. The ultrafiltration method of claim 3, wherein a back pressure in the range of 1.05 to 3.85 Kg/cm 2 g is applied to the first separation unit of the series arrangement. 7. An inlet pressure of approximately 40 psig (2.8 Kg/cm 2 g) and a back pressure of approximately 15 psig (1.05 Kg/cm 2 g) are applied to the first separation unit in the series arrangement according to claim 3. ultrafiltration method. 8 Approximately 50 to 120 psig (3.5 to 8.4 Kg/cm 2
g) inlet pressure and approximately 25 to 95 psig (1.75
A backpressure of approximately 40 to 6.65 Kg/cm 2 g) is applied to the first separation unit of the series arrangement and
Inlet pressure of 80 psig (2.8 to 5.6 Kg/cm 2 g) and approximately 15 to 55 psig (1.05 to 3.85 Kg/cm 2 g)
5. The ultrafiltration method of claim 4, wherein a back pressure of . 9 An inlet pressure of approximately 55 psig (3.85 Kg/cm 2 g) and a back pressure of approximately 30 psig (2.1 Kg/cm 2 g) are applied to the first separation unit in the series arrangement, and approximately
40 psig (2.8 Kg/cm 2 g) inlet pressure and approximately 15 psi
5. The ultrafiltration method according to claim 4, wherein a back pressure of 1.05 Kg/cm 2 g is applied to the second separation unit in the series arrangement. 10. The ultrafiltration method of claim 1, wherein said membrane has an average porosity in the range of approximately 1 to approximately 50 nm. 11 (a) a plurality of pressure filter cartridges connected in a serially arranged flow configuration and containing membranes for ultrafiltration; (b) inlet means located within each of said pressure filter cartridges; and (c) Provided inside each pressure filter cartridge,
(d) means provided within each pressure filter cartridge;
(e) introducing the solution or suspension to be separated into each pressure filter cartridge except the last pressure filter cartridge at a pressure exceeding the maximum allowable membrane permeation pressure difference across said membrane; (f) for each pressure resistant filter cartridge except said last pressure resistant filter cartridge for producing in each pressure resistant filter cartridge a transmembrane pressure differential not exceeding a maximum allowable transmembrane pressure differential for said membrane; (g) means for coupling said pressure filter cartridges in said series arrangement. 12. The ultrafiltration device according to claim 11, wherein two pressure-resistant filter cartridges are connected in series. 13. The ultrafiltration device according to claim 11, wherein three pressure-resistant filter cartridges are connected in series. 14. The ultrafiltration apparatus according to claim 11, further comprising means for applying back pressure to the last pressure filter cartridge in the series arrangement.
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