JPH04260419A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、デッドエンド型濾過方
法に関するものであり、特に大きい膜透過流束を維持す
るために逆洗を周期的に行う新しいデッドエンド型濾過
方法に関するものである。本発明のデッドエンド型濾過
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、濃縮などに適
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
懸濁液、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、原子力発電の復水からクラ
ッドを分離除去する場合にも適用される。ところで近年
バイオテクノロジーの急速な発展にともない、培養、発
酵、酵素反応等による生化学物質の生産は、医薬品・食
品・化学製品など多くの分野で盛んに行われるようにな
ってきた。これらの生産物質は精製することによって付
加価値が高まるが、この精製操作に多くのコストがかけ
られるのが現状である。本発明のデッドエンド型濾過方
法はこれらの分野で特に有効であり、例えば培養液中か
ら反応阻害物質を連続的に除去することにより高密度培
養を行う、菌体外酵素生産菌を用いた時に酵素を連続回
収する、菌体内酵素生産菌を破砕した溶液から酵素を回
収する、バッチ式で得られた培養液から生体触媒を除去
する、など多岐にわたって適用される。

【０００２】

【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ては、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。前述したように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、従来から行われている遠心分離やけい藻土濾過に代
わって連続操作が可能で大量処理できる、濾過助剤や凝
集剤の添加が必要ない、分離の効率は菌体と懸濁液の比
重差に無関係であり培養液の物性や菌体の種類に関係な
く清澄な濾液が得られる、高濃度培養ができ生産効率が
向上する、完全密閉系が可能で菌の漏れがない、濃縮後
菌体の洗浄が可能である、スケールアップが容易で経済
性が高い等の理由で、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、濾過膜の利
点が多いにもかかわらず精密濾過あるいは限外濾過膜を
用いて微粒子を分離する場合に、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じ、また濾
過膜の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。

【０００３】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デッドエン
ド型濾過方式がある。この従来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濾過膜の内部に捕捉さ
れて分離される段階では高い透過流束が得られるが、濾
過膜の表面で捕捉される段階になるとケーク層が形成さ
れ、大量の原流体を処理する場合や形成されるケーク層
の比抵抗が極端に高い場合は大きな濾過抵抗となり、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
なる。このため、クロスフロー型濾過方式が考えられた
。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、濾過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
る。しかし懸濁物質の濾過比抵抗が極端に高い、すなわ
ち培養液、発酵液から菌体や高分子生成物を除くために
純水透過流束の大きいすなわち分画分子量の大きい限外
濾過膜や精密濾過膜を用いた場合は急激に膜透過流束が
低下して濾過開始初期の高い膜透過流束を保つことは困
難であり、結果としてデッドエンド型濾過方式と総透過
液量を比較すると効果は小さく経済的な透過流束を得る
には不十分であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、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、従来のデッドエンド
型濾過方式に僅かに大きい程度で、精密濾過方法として
このクロスフロー方式を採用しても十分高い膜透過流束
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、従来から行
われている遠心分離法、珪藻土濾過法などに代わってク
ロスフロー濾過方式を用いても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
束が低下するばかりでなく、原流体を循環する際の剪断
力によって菌体の活性が失われるという問題があった。

【０００５】透過流束を高める方法としては従来より濾
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断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によって、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が、懸濁物
質の濾過比抵抗が小さい場合は逆洗により濾過膜に堆積
した懸濁物質は容易に脱着できるが、懸濁物質の濾過比
抵抗が高く濾過膜との付着力の強い高分子成分や菌体の
場合は、逆洗を行っても濾過膜から十分取り除くことが
できず膜透過流速が十分回復しないなどの問題点があっ
た。またこれら逆洗を行った際に濾過膜から脱着した懸
濁物質を濾過系内に残しておくと原流体中の懸濁物の濃
度が徐々に増加し、場合によっては原流体の粘度も上昇
するため膜透過流束は徐々に低下して逆洗を行っても透
過流束が十分回復しない等の問題があった。一方菌体の
活性を低下させない方法として、クロスフロー濾過の場
合は循環流速を低下させ剪断力を小さくすることが行わ
れているが、剪断力を小さくするとクロスフロー濾過方
式の効果が小さくなるため、実際に菌体活性を低下させ
ない方策をとると膜透過流束が低下する問題があった。 またポンプでの菌体の破砕を少なくするためダイヤフラ
ムポンプなどの剪断力の小さいポンプを用いるとポンプ
の脈動が大きくクロスフロー濾過方式の効果が小さくな
る等の問題もあった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】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持ち菌体などの活
性低下を減少させる新規なデッドエンド型濾過方法を提
供することを目的とするものである。すなわち本発明は
、精密濾過膜を用いて、懸濁物質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懸濁物質とを分
離し濾過膜の透過流体側の圧力を原流体側の圧力より大
きくして周期的に逆洗を行い、逆洗液と共に濾過膜から
脱着した懸濁物質を濾過系外へ排出するデッドエンド型
濾過方式において、濾過を０．５分以上３分以内行った
後周期的に１秒以上３０秒以内の逆洗を行うことにより
高い透過液量を得ることが可能となる。以下、本発明を
詳細に説明する。本発明のデッドエンド型濾過方法は、
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、濃縮など、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る
が、特に発酵液、培養液からの酵素、微生物、細胞の分
離、濃縮、回収など懸濁物質の濾過比抵抗が極端に大き
い場合に効果がある。本発明のデッドエンド濾過で行う
逆洗はガスよりも液体で行う方が効果が大きく、系外か
らの異物混入を避ける場合は逆洗液として透過液を用い
ることができる。また透過液を逆流させた分だけ透過量
が減少することを避ける場合は、濾過系外より洗浄液を
供給して必要に応じた逆洗液量で逆洗を行うことが好ま
しい。濾過系外より供給する洗浄液は濾過膜の特性を低
下させたり原流体の特性を変化させなければ基本的には
何でも良いが、原流体が水溶液である場合には一般的に
は滅菌水を用いることが好ましい。また、逆洗終了後逆
洗液を濾過系内に残したくない場合はガスによる脱水を
行うことが好ましい。逆洗は膜透過流束が極端に低くな
ってから行うと逆洗後の膜透過流束の回復性は悪くなる
。これは懸濁物質が濾過膜の内部に深く侵入したり堆積
した懸濁物質が圧密化したり、また長時間濾過を行うと
懸濁物質が濾過膜に強く結合するため、逆洗時に堆積し
た懸濁物質を完全に取り除くことができなくなるためで
ある。このため定圧濾過を行う場合は濾過初期の透過流
速の１／１００に達する前に逆洗を行うことが好ましく
、さらに高い透過流速を得るためには１／１０に達する
前に逆洗を行うことが好ましい。また、定速濾過を行う
場合は濾過膜間差圧が極端委高くなってから逆洗を行う
と逆洗後の濾過膜間差圧の回復性すなわち濾過膜の洗浄
性が悪くなるため、濾過初期の濾過膜間差圧の１００倍
に達する前に逆洗を行うことが好ましく、さらに好まし
くは１０倍に達する前に逆洗を行う。従って濾過開始か
ら逆洗に至るまでの時間は短く、懸濁物質の比抵抗が大
きい場合は濾過を０．５分以上３分以内好ましくは０．
７分以上２分以内行った後に逆洗を行うことが高い透過
流束を得るために効果的である。また、逆洗液は高い透
過流速で多量に濾過膜内を通過させる方が洗浄性は高く
なるが、逆洗液の透過流束を高めて長時間逆洗を行うこ
とは逆洗液量が膨大となるばかりでなく、濾過時間に対
する逆洗時間の比率が高まり事実上平均透過流束は低く
なるため、十分透過流束が回復できる範囲で透過流速は
１×１０−４ｍ３／ｍ２／ｓｅｃ以上であり、時間は１
秒以上３０秒以内好ましくは２秒以上１０秒以内である
ことが高い透過液量を得るのに効果的である。

【０００７】使用される濾過膜は懸濁物質が阻止できる
孔径を持つものが必要であり、精密濾過膜では通常０．
０５〜１０μｍの孔径を有するものが使用される。これ
ら精密濾過膜を０．５分から３分の短い時間で濾過した
場合の総濾過量は、濾過膜の構造に著しく影響を受ける
。すなわち懸濁物質を濾過膜の表面で阻止する場合は阻
止された懸濁物質が非常に大きな濾過抵抗となって透過
流束が急激に低下し結果として総濾過量は低くなるが、
濾過膜が膜厚方向に孔径が連続的または不連続的に変化
し濾過膜の一方の表面の孔径と他方の表面の孔径とが異
なる構造を有するいわゆる異方性膜を表面孔径の大きい
側を原流体側に向けて使用することにより、濾過膜内部
で懸濁物質が阻止できるため大きな総濾過量を得ること
が可能となる。また、濾過膜として多孔質膜と不織布ま
たは網状体を一体化した複合構造を持つ場合も不織布ま
たは網状体側を原液側にすることにより同様の効果が得
られる。

【０００８】次に本発明のデッドエンド型濾過方式を図
面に基づいて説明する。図１は従来のデッドエンド型濾
過を行った際に濾過膜に堆積する懸濁物の様子を示して
おり、経時とともに堆積する懸濁物質量は増加し、最終
的には透過流束はゼロに近づく。図２はクロスフロー濾
過を行った際に濾過膜に堆積する懸濁物質の様子を示し
ており、濾過開始初期においては懸濁物質が徐々に増加
するが原流体の剪断力によって堆積する懸濁物質量は一
定値をとり透過流束も最終的には一定値に近づく。図３
は本発明のデッドエンド型濾過方式のフローを示してい
る。濾過を一定時間行った後透過流体側から原流体側に
滅菌水を流して濾過膜から脱着した懸濁物質と共に排出
する。その後ガスにより濾過系内に残留している滅菌水
を排出し、再び濾過を行う。このサイクルを繰り返すこ
とによって原流体の懸濁物質濃度も上昇せずに高い透過
流束を維持することが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下に具体例をあげて本発明をさらに詳しく
説明するが、発明の主旨を越えない限り本発明は実施例
に限定されるものではない。 実施例１ 大腸菌（ＩＦＯ３３０１）をグルコース１０ｇ／ｌ、ポ
リペプトン５ｇ／ｌ、酵母エキス５ｇ／ｌ、塩化ナトリ
ウム５ｇ／ｌを含む培養溶液を用いて１８時間振とう培
養を行って濾過原液とした。培養条件は温度３７℃、ｐ
Ｈ７．０であった。この原液を公称孔径０．２μｍの精
密濾過膜を用いて本発明の逆洗を周期的に行うデッドエ
ンド型濾過を行った。使用した濾過器は有効膜面積１０
０ｃｍ２で、実験条件は圧力差０．５×１０５Ｐａ、液
温度２５℃であり、逆洗流束１×１０−３ｍ３／ｍ２／
ｓｅｃ、逆洗時間３秒で行い逆洗液は滅菌水で行った。 図４に１サイクルの濾過時間を０．２、０．５、０．７
、２．０、３．０、３．５分とし、濾過運転を１時間行
った後の総透過液量を示した。濾過時間を０．５分以下
とすると逆洗の占める割合が増加するため透過液量は低
下し、濾過時間が３分を越えると逆洗に至るまでの透過
流束の低下が大きいため逆洗による透過流束の回復が悪
くなるため透過液量は低下する。

【００１０】実施例２ 市販のビールにタンニン酸２０ｐｐｍを溶かして、タン
パク質を凝集させたものを懸濁液として用い、公称孔径
２．０μｍの異方性の精密濾過膜を孔径の大きい側を懸
濁液側にして本発明の逆洗を周期的に行うデッドエンド
型濾過を行った。使用した濾過器は有効膜面積１００ｃ
ｍ２で、実験条件は圧力差０．５×１０５Ｐａ、液温度
２℃であり、逆洗圧力を１×１０５Ｐａ、１サイクルの
濾過時間を１分とし、逆洗液には透過液を用いた。図５
に逆洗時間を０．２、１、２、１０、３０、４０秒とし
た場合の濾過運転１時間後の総透過液量を示した。逆洗
時間が１秒以下では逆洗により透過流束が十分回復せず
、３０秒以上では透過液が逆洗により原流体側へ大量に
逆流してしまうため透過液量は低下した。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、逆洗を周期的に行うデ
ッドエンド型濾過方式において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、
酵母や菌体などのバイオリアクターへの応用ができ、従
来技術に比べて運転管理が容易であるなど諸々の効果が
奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のデッドエンド型濾過における懸濁物質の
堆積状態を示している。

【図２】従来のクロスフロー濾過における懸濁物質の堆
積状態を示している。

【図３】本発明の逆洗を周期的に行うデッドエンド型濾
過方式のフローを示している。

【図４】本発明のデッドエンド型濾過方法を用いて１サ
イクルの濾過時間を変化させたときの透過液量違いを示
している。

【図５】本発明のデッドエンド型濾過方法を用いて逆洗
時間を変化させたときの透過液量の違いを示している。

【符号の説明】

１　　デッドエンド濾過の原流体の流れ２　　デッドエ
ンド濾過の透過液の流れ３　　デッドエンド濾過の懸濁
物質の移動方向４　　濾過膜上に堆積している懸濁物質
５　　濾過膜 ６　　クロスフロー濾過の原流体の流れ７　　クロスフ
ロー濾過の透過液の流れ８　　クロスフロー濾過の懸濁
物質の移動方向９　　濾過膜上に堆積している懸濁物質
１０　　濾過膜 １１　　原流体入口 １２　　透過液出口 １３　　逆洗液入口 １４　　排液出口 １５　　濾過器 １６　　濾過膜 １７　　ガス入口 １８　　圧力計 １９　　ポンプ ２０　　滅菌フィルター ２１　　電磁弁

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　精密濾過膜を用いて、懸濁物質を含む
   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
   懸濁物質とを分離し濾過膜の透過流体側の圧力を原流体
   側の圧力より大きくして周期的に逆洗を行い、逆洗液と
   共に濾過膜から脱着した懸濁物質を濾過系外へ排出する
   デッドエンド型濾過方式において、濾過を０．５分以上
   ３分以内行った後に１秒以上３０秒以内の逆洗を行うこ
   とを特徴とするデッドエンド型濾過方法。
2. 【請求項２】　　該逆洗液に滅菌水を用いることを特徴
   とする請求項第１項に記載のデッドエンド型濾過方法。
3. 【請求項３】　　該逆洗液に透過液を用いることを特徴
   とする請求項第１項に記載のデッドエンド型濾過方法。