JPH04150930A - クロスフロー濾過システム - 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、クロスフロー型濾過方法に関するものであり
、特に大きい膜透過流束を維持するクロスフロー型濾過
方法に関するものである。

本発明のクロスフロー型ｉａ方法は、種々の高分子、微
生物、酵母、微粒子を含有あるいは懸濁する流体の分離
、精製、回収、ｆｉ縮などに適用され、特に濾過を必要
とする微細な微粒子を含有する流体からその微粒子を分
離する必要のあるあらゆる場合に適用することができ、
例えば微粒子を含有する各種の懸Ｓ液、発酵液あるいは
培養液などの他、顔料の懸濁液などから微粒子を分離す
る場合にも通用され、また微粒子を含む懸濁気体から微
粒子を分離、除去して気体を精製する、例えば医薬用ア
ンプルへ充填する無菌化窒素ガス、超純水製造装置への
陽圧用ガスとして充填する無塵、無菌のガスあるいはＩ
ｃ製造ラインにおける空調陽無塵、無菌の空気などの製
造のためにも適用される。

（従来の技術） 従来、膜を用いて懸濁物質を含有する原流体から懸濁物
質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、限外濾過法、精密濾過法、電位差を駆動力と
する電気透析法、濃度差を駆動力とする拡散透析法等が
ある。これらの方法は、連続操作が可能であり、分離操
作中に温度やＰＨの条件を大きく変化させることなく分
離、精製あるいは濃縮ができ、粒子、分子、イオン等の
広範囲にわたって分離が可能であり、小型プラント処理
能力を大きく保つことができるので経済的であり、分離
操作に要するエネルギーが小さく、かつ他の分離方法で
は難しい低濃度原流体の処理が可能であるなどの理由に
より広範囲に実施されている。そしてこれらの分離技術
に用いられる膜としでは、酢酸セルロース、硝酸セルロ
ース、再生セルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニ
トリル、ポリアミド、ポリイミド等の有機高分子等を主
体とした高分子膜や耐熱性、耐薬品性などの耐久性に優
れている多孔質セラミック膜などがあり、主としてコロ
イドの濾過を対象とする場合は限外濾過膜が使用され、
微細な粒子の濾過を対象とする精密濾過ではそれに適し
た微孔を有する精密濾過膜が使用されている。

ところで近年、バイオテクノロジーの進歩に伴い、高純
度化、高性能化、高精密化が要求されるようになり、精
密濾過あるいは限外濾過技術の応用分野が拡大しつつあ
る。しかしながら、精密濾過あるいは限外濾過において
は膜を用いて微粒子を分離する場合に、タンパクコロイ
ド等高分子物質の濃度分極の影響によりケーク層が生じ
て透過流体の流れに抵抗が生し、また膜への吸着、目詰
まりによる抵抗が大きくなって膜透過流束が急激にかつ
著しく低下してしまうという問題があり、これが精密濾
過あるいは限外濾過の実用化を妨げる最大の原因であっ
た。またそれに用いられる膜は汚染されやすく、その防
止対策が必要である。

濾過方法としては、濾過されるべき全ての流体が濾材（
濾布や膜など）とケーク層を通過して流体中に含まれて
いる微粒子を分離するいわゆるゲットエンド型濾過方式
がある。このデッドエンド型濾過方式では流体が通過し
て懸濁物質が分離されるためには濾材とケーク層が含有
する流体の流れを妨げる抵抗に打ち勝つ圧力が必要であ
り、このため精密濾過あるいは限外濾過においては、こ
のようなデッドエンド濾過を行うと膜透過流束が小さく
なってしまうのである。このため、クロスフロー型濾過
方式をすることが考えられた。このクロスフロー型濾過
方式は、濾過膜の膜表面に平行に濾過すべき原流体を流
し、流体は濾過膜を通って反対側へ透過し、この原流体
と透過流体の流れが直交しているためにこのように称さ
れている。

このクロスフロー型濾過方法は、膜に平行な原流体の流
れによって膜面上に形成されたケーク層がはぎ取られる
ので従来のデッドエンド型濾過方式に比べて膜透過流束
が大きく、大量の原流体を直接連続的に分離、精製、濃
縮が可能であり、濾過性向上のためのフロック生成剤を
必要と廿ず、そのため補集された懸濁物質に助剖が混入
せず、膜の微孔径と目的物質との相互作用をコントロー
ルすることによりきわめて純粋な濾過流体が得られる等
の特徴を有する。

しかし、クロスフロー型濾過方式は原理的には高度な分
離技術であるが、最大の問題である膜透過流束はデッド
エンド型濾過方式に比べて大きいが、培養液や発酵液等
の高懸濁液濃度の液体を用いるとこのクロスフロ一方式
を採用しても膜への付着層の濾過抵抗が大きく十分高い
膜透過流束が得られないという問題があった。

（本発明が解決しようとする問題点） 上述のようにクロスフロー濾過方式を用いても培養液や
発酵液等の高懸濁液濃度の液体では高い透過流束が得ら
れないという問題があった。

また従来から行われている懸濁物質と流体との分離の具
体的な例を見ても、例えば発酵液から菌体を分離する場
合には、従来遠心分離法、ケーキ濾過型、珪藻土濾過法
などの一次濾過と精密濾過法等の二次濾過が併用されて
いるが、菌体等の分離ではプロセスの連続化が困難であ
り、酵素などの生成物が濾過助剤に強く吸着することに
より回収率が低下し、二次濾過である精密濾過による菌
体の収集の際には、膜面上に形成されたケーク層や目詰
まりによって濾過時間の経過と共に膜透過流束が低下し
、さらに遠心分離法により菌体の活性が失われるという
問題があった。

また例えば下水の生物学的処理において、用いる活性汚
泥は大量の水を含有するので、その後の処理の前にまず
これを濃縮することが行われており、この濃縮では液体
中に存在する懸濁成分やコロイド成分より寸法の大きい
ものについては凝集沈降を行い、熔解成分のうち金属イ
オンなどは水酸化物、酸化物、硫化物などとして不溶化
させ、コロイドの寸法以上の大きさにして沈降分離し、
ここで得られる濃縮物からさらに液体を分離することに
より活性汚泥の固液分離を行っているが、このような活
性汚泥の濃縮において高度処理を行うには、沈降に要す
る広大な設備が必要であり、プロセスも複雑化し、固液
分離の運転管理には高度な技術を必要とし、大量に発生
する量の汚泥を廃棄するための広大な場所を要するなど
の諸々の問題があった。

これらの問題を解決するために、従来から濾過膜への原
流体の流入を断続的に停止したり、濾過膜の透過流体側
の弁を閉止することにより、濾過膜の膜面に垂直にかか
る圧力を継続的になくすあるいは減少させたり、また濾
過膜の透過液側から圧力を加え透過液側から原流体側へ
流体を流すことムニよって、濾過膜の原流体側の膜面上
に堆積しているケーク層や付着層を断続的に取り除く「
逆洗」と称する試みがなされている。しかし、これら逆
洗が行われた場合、ケーク層、付着層と膜との吸着力、
結合力が小さい剛体粒子等の場合には「逆洗」の後、透
過流束が濾過開始初期の透過流束まで回復するが、酵母
や微生物等の高吸着性、高圧縮性の懸濁物質の場合「逆
洗」を行っても、ケーク層や付着層が十分取り除けない
ため、透過流束は回復せず徐々に低下して結果として経
済的な透過流束を得ることができなかった。

（問題を解決するための手段及び作用）本発明は、上述
した従来技術にあった問題点を解決するために為された
ものであって、実用性のある高い膜透過流束をもつ新規
なりロスフロー型濾過方法を提供することを目的とする
ものである。

すなわち本発明は、懸濁物を含む懸濁液から懸濁物質と
液体とを分離する目的において、逆洗を行う際ポンプと
クロスフロー濾過器の途中から供給タンクへ通づるバイ
パスを開放し、逆洗を終了した後上記バイパスを徐々に
閉しかつ透ｉ８流体側にオリフィスを設置し原流体側と
透過流体側の膜間差圧を徐々に上昇させることをにょっ
て、結果として高い透過流束が得られることを特徴とす
る。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明は、懸濁物質を含む懸濁液から懸濁物質と液体を
分離する際、濾過膜表面に堆積しているケーク層、付着
層の圧縮による一ａ、過抵抗の急激な上昇をおさえる゛
新規のクロスフロー型濾過方法である。本発明の特徴は
、濾過開始初期に角、激な透過流束の上昇をおさえるこ
とによりケーク層、付着層の急激な圧密化をおさえるこ
とである。

ケーク層、付着層の圧密化の原因は、たとえば隙間差圧
を高めることにより堆積しているケーク層の原流体側と
透過流体側の圧力差が大きくなったり、透過流束が高い
ことによりケーク内流束が高まることにより生しる。こ
の効果は特に圧縮性の懸濁物質の場合に顕著であり、圧
縮されたケーク層や付着層の濾過抵抗により透過流束は
極端に低下する。一方、精密濾過膜を使用した場合は上
記の原因によって圧密化と同時に懸濁物質の膜内部への
侵入が起こり、逆洗を行っても懸濁物質を十分排除する
ことができない現象も生じる。

本発明の第一の特徴は、濾過開始直後および逆洗終了後
に原流体が象、激に濾過膜に供給され透過流束が象、激
に上昇することによるケーク層の圧縮を抑えることであ
る。原流体を濾過膜に２、激に供給しない方法としては
、供給ポンプの始動をゼロから徐々に開始する、ポンプ
と濾過膜を保持しているクロスフロー濾過器の途中から
供給タンクにつながるバイパスを開放から徐々に閉じる
方法などがある。

本発明の第二の特徴は、濾過開始直後および逆洗終了後
の２、激な膜間差圧と透過流束の上昇を抑えるために透
過流体側に透過流束を制御するオリフィスを設けること
である。特開昭５９−２０９６１３号の方法によれば濾
過操作を実質上流量ゼロから開始し透過液側のバルブを
制御することにより一定の割合で透過流束を上昇させる
方法では、通常のクロスフロー濾過方式と比べて平均透
過流束は僅かに向上するが、流量ゼロから上昇させるこ
とは実質上極端に高い透過流束は得られない。

また、特開昭５８−１９３７０２号では膜間差圧をゼロ
としてｌ過膜面上に堆積したケーク層を崩落させている
が、圧縮性、吸着性の極端に低い懸濁物質では効果があ
るが、培養液や発酵液の様に高い圧縮性や吸着性を持つ
懸濁物の場合はほとんど効果は見られない。

本発明のバイパスを徐々に閉しる、透過流体側にオリフ
ィスを設ける方法は、それぞれ単独でも透過流束を高め
る効果があるが、両方を併用させることによりいっそう
顕著な効果が得られる。

本発明で用いられるクロスフロー６過器は１層流路型、
中空糸型、チューブラ−型、スパイラル型いずれでもよ
く、懸濁型の種類により濾過器形態を選定すればよい。

また、逆洗方式は透過流体を透過流体側から原流体側へ
逆流させる、薬液を供給する、ガスを供給する方法のい
ずれでも効果があるが、連続操作を考慮すると透過流体
を逆流する方式が最も好ましい。

ここでいう懸濁物質とは無ｉ質、有機質であることは問
わず、微生物、酵母も含み、濾過膜として限外濾過膜を
用いる場合はタンパク質、高分子なども含む。また、濾
過膜を通る単位時間当たりの流体量はその流体で計られ
るが、その量は濾過膜の面積で変わるので流量を膜の面
積で除した量とし、その量をｌ！！透過流束（単位：　
ｒｄ　／　ｎ（／　５ｅｃ）という。本発明に用いられ
る濾過膜は微細孔を有し、その孔径は１０μｍ以下、好
ましくは５μｍ以下であって、実際に使用するにあたっ
ては濾過する懸濁物質を含有する流体原液の種類によっ
て最適な孔径を選択する。

次に本発明のクロスフロー濾過システムを図面に基づき
ながら詳しく説明する。

図１および２は本発明のクロスフロー濾過システムのフ
ローを示した図であり、図１は濾過運転時、図２は逆洗
時のフローを示している。濾過運転、逆洗は周期的に繰
り返し行われる。図１において、供給タンク１内の懸濁
物質を含む原流体をポンプ２により濾過膜を内蔵した濾
過器３を通して循環する。この際、膜面圧力は圧力調整
バルブ４によって調整する。この圧力を圧力計５．６に
より、液の流量はフローメーター７により読み取る。透
過液はオリフィス８を通りストックタンク９をへて回収
される。濾過運転時はバイパスバルブ１０は閉しられて
いる。回２において、バイパスバルブ１０、逆洗圧カバ
ルプ１１が開放され、透過流体は透過流体側から原流体
側へ逆流し、膜面に堆積しているケークや付着物が排除
される。

この際、透過流体はオリフィス８を通過させても良いが
、バイパスした方が付着物の排除効果は大きい。また、
ポンプ２は停止しても作動させた状態でも良い、逆洗が
終了し図２の逆洗状態から図１の濾過運転状態へ移行す
る際、バイパスバルブ１０は通常３〜３０秒間に徐々に
閉じられが１５秒以内の短い時間でも十分効果はある。

透過流体は、オリフィス８を通過し、初期状態の透過流
束と膜面差圧の急、激な上昇を防ぐ。濾過運転と逆洗は
交互に周期的に行われ、濾過運転は１〜３０分、逆洗は
１〜６０秒の範囲で行われるが、懸濁液の種類により特
にこの範囲に限定されるものではない。

（実施例） 以下に実施例をあげて本発明を更に詳しく説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。

実施例 大腸菌（ＩＦＯ３３０１）をｌ　ｄｒｙｇ／ｌの濃度ま
で培養した培養液を原液とし、公称孔径０．２ｕｍＣ：
）精密濾過膜、富士写真フィルム社製のＦＭ２２を用い
て本発明のクロスフロー濾過および通常の逆洗を伴うク
ロスフロー濾過を行った。使用したモジュールの有効面
積は１００ｃｔｌで、濾過条件は膜面圧力０．５Ｘ１０
’Ｐａ、膜面流束１．５ｍ／秒、液温度２５“Ｃ１濾過
運転時間１７０秒、逆洗時間１０秒、逆洗圧力０．　　
Ｉ　Ｘ　１０’　Ｐａバイパスハルフ開閉時間は５秒で
行った。

図３は透過流束の経時変化の比較を示している。

本発明の濾過方式は濾過開始初期の透過流束は従来の逆
洗を伴うクロスフロー濾過よりも低いが、急激な透過流
束の低下が小さく、高い透過流束を維持できる。

図４は図３の透過流束の平均値の経時変換を示したもの
である。すなわち本発明の濾過方式は長い時間高い透過
流束を維持し、従来の逆洗を伴うクロスフロー濾過と比
べて１．６〜２倍の透過流束が得られる。

（発明の効果） 本発明の濾過方式を用いることにより高い膜透過流束が
得られ、それによって種々の懸濁物質を含有する液体か
ら各懸濁成分の分離、回収、精製、濃縮などがきわめて
効率的しかも経済的に行われる。そしてさらにプロセス
の連続化及び装置の小型化が可能であり、膜の選択性を
利用して目的物のみを連続的に選択的に分離することが
でき、酵母や菌体などを反応液中に固定することにより
バイオリアクターへの反応ができ、従来技術に比べて運
転管理が容易でかつ高濃度で運転が可能であり、膜の透
過性を回復させるために特別な洗浄などを必要としない
など諸々の効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の濾過方式の濾過運転中のフロー図であり
、図２は逆洗時のフロー図を示している。 図３は本発明の濾過方式と従来の逆洗を伴うクロスフロ
ー濾過との透過流束の比較を示しでおり、図４は平均透
過流束の比較を示している。 （符号の説明） １・・・供給タンク　　　　　　２・・・ポンプ３・・
・クロスフロー濾過器　　４・・・圧力調整ノ＼ルブ５
・・・圧力計 ７・・・フローメーター ９・・・ｉ３透過流ストックタンク １０・・・バイパスバルフ １１・・・逆洗圧力エアーバルブ ６・・・圧力計 ８・・・オリフィス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固体粒子を含む流体からなる原流体を供給し濾過す
   ることにより流体と固体粒子を分離する逆洗を伴うクロ
   スフロー濾過方式において、高透過流束を得るために、
   逆洗を行う際ポンプとクロスフロー濾過器の途中から供
   給タンクへ通づるバイパスを開放し、逆洗を終了した後
   上記バイパスを徐々に閉じることを特徴とするクロスフ
   ロー濾過方式。 ２）透過流体側にオリフィスを設けることを特徴とする
   請求項第１項のクロスフロー濾過方式。 ３）逆洗のさい透過流体側の圧力を原流体側の圧力より
   大きくして透過流体を逆流させることによって行う請求
   項第１項のクロスフロー濾過方式。 ４）固体粒子を含む流体からなる原流体を供給し濾過す
   ることにより流体と固体粒子を分離する逆洗を伴うクロ
   スフロー濾過方式において、高透過流束を得るために、
   透過流体側の圧力を原流体側の圧力より大きくして逆洗
   を行う際ポンプとクロスフロー濾過器の途中から供給タ
   ンクへ通づるバイパスを開放し、逆洗を終了した後上記
   バイパスを徐々に閉じかつ透過流体側にオリフィスを設
   けることを特徴とするクロスフロー濾過方式。