JPH057739A - 渦巻ろ過装置とそれを用いる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置の融通性及び圧力と流量の制御性を従来
の貫流方式より大きくし、コストを従来の再循環方式よ
り相当に低減できるろ過装置を提供することである。 【構成】 第１段と第２段が直列に接続され、各段には
複数のろ過モジュールが並列流を作るように配列されて
いる。第１段からの濃縮液が第２段の供給原料となり、
第２段の濃縮液の一部分が第１段の供給原料流へ再循環
される。フイードポンプと再循環ポンプが適当な流れ制
御装置と弁と一緒に、ろ過装置内の圧力と流量の両方に
ついて制御を行う手段となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的にいえばろ過技術
に関するものであり、さらに詳しくいえば多段階を用い
るろ過装置の効率を上げる方法と装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この発明を渦巻ろ過膜及び渦巻膜を含む
モジュールを特に参照して説明するが、この発明は多重
モジュールが用いられる他の形式のろ過に適用できると
理解されるべである。

【０００３】代表的渦巻ろ過モジュールが１９８１年１
１月１７日認可の米国第４，３０１，０１３号に示され
て説明されている。渦巻ろ過膜がそれらの高い表面対体
積比、低い残留液体積及び大体均一な流れパターンの結
果として多くの利点を持っている。渦巻膜が酪農産業に
おいてチーズ乳清の濃縮及び流体乳製品の他の分離可能
な成分の分離と濃縮に用いられるもののような限外ろ過
プロセスにおいて特に有用である。

【０００４】代表的渦巻ろ過装置は、穴あき中央管の周
りに巻かれてハウジングの中に囲われた渦巻膜を用いて
いる。普通はモジュールとしても知られている多重渦巻
膜が単一のハウジングの中に直列に結合されており、一
つ以上のハウジングもまたろ過プロセスを行うために一
つに結合されてもよい。

【０００５】多段ろ過装置において用いることのできる
ろ過モジュールのための二つの周知の配置は、いわゆる
「貫流」概念又は「クリスマスツリー」設計及び「再循
環」設計である。

【０００６】周知の「貫流」設計において、各々が中に
多重モジュールを配置されている複数のハウジングが並
列な関係で置かれ、供給ストリームがハウジングを通る
並列な流れによって導かれる。次にハウジングからの濃
縮液は、通常前の段よりハウジングの数の少ない第２段
へ送られる。供給原料は、再び第２段のハウジングを通
る並列流れによって導かれ、この段からの濃縮物は第３
段へ導かれる。第３段は第２段よりハウジングの数が少
なく、ハウジングの数は、最後の濃縮に達するまで、逐
次の段ごとに連続して減らされる。最後の二つのハウジ
ングからの濃縮物は最終製品である。この特定の設計
は、理論的には多段ろ過装置を作動させる最も効率的な
手段であるが、それは代りの送り速度を処理するための
多様性に限界がある。また、ろ過媒質の透過度が使用中
に減少するので、補うために装置圧力を大きくすること
が必要である。圧力が増加するにつれて、流量は装置の
持っている限界のために減少し、それによって逆効果の
状態を作ることがある。したがって、この装置を通るあ
らかじめ定めた直交流速度を保つ目的は、一つの要因を
別の要因と折衷させることを通じて部分的にのみ満たさ
れる。

【０００７】多重モジュールを用いるろ過装置のもう一
つの周知の設計が「再循環」設計といわれている。再循
環ろ過装置のための代表的な装置が図面の第１図に示さ
れ以下に非常に詳細に説明する。

【０００８】簡単にいえば、直列に再循環する設計は各
段に付随した再循環ポンプを用い、各段からの濃縮液の
一部分を同じ段の供給ストリームへ再循環する。再循環
設計は圧力と流量を制御するのに非常に柔軟性を与える
が、また追加のポンプエネルギーを必要とするので価格
が高くなる。

【０００９】図１を参照すると、前述のようにこれは従
来技術のろ過装置のための再循環段直列設計の略図であ
る。この装置は総括的に数字１０で表わされ、四つの同
一の再循環段を備え、各段は総括的に数字１２によって
表わされている。各段１２は供給ストリーム液体の並列
な流れに合わせるように並列に配列された複数のハウジ
ング又は容器１４を備えている。各ハウジングは図示さ
れていないが、ハウジングの中で直列に接続されてい
る。三つのモジュール１６を含んでいる。供給ライン１
８がそれぞれのハウジングを通る並列流にして液体供給
ストリームを導くために各ハウジング１４を接続されて
いる。各ハウジング１４からの透過液は適当な導管（図
示なし）を通って主透過液運搬ライン２０へ導かれる。
各ハウジング１４からの濃縮液出力は次の段のための供
給ストリームラインとして働くライン２４及び再循環ポ
ンプ２８と結合それた再循環ライン２６に分かれる濃縮
液運搬ライン２２へ導かれる。ろ過装置１０への供給ス
トリームは再循環ライン２６ト３４を介して結合されて
いるフイードポンプ３２と結合された供給ライン３０を
介して流される。もちろん、適当な弁又は制御装置（図
示なし）がろ過装置10を完成するために用いられると理
解すべきである。図１の再循環段直列設計は、供給ライ
ン３０、ポンプ２８及び３２並びにライン３４及び１８
を通して多重ハウジング１４ヘ液体を導入することによ
って透過液分と濃縮液分に分離されるべき液体を送るこ
とによって動作する。ハウジング１４の中で、透過液
は、個々のモジュール１６を半径方向に通過し、濃縮液
は軸方向に移動する。濃縮液の一部分がライン２２及び
２４を経て次の段へ行き、濃縮液の残りは、ライン２６
とポンプ２８を介して供給ライン１８ヘ再循環する。こ
の装置は圧力ヘッド及び体積をポンプ２８と３２を介し
て変えることができる結果として（「貫流」設計と比較
するとき）圧力と流量についての制御が改良される。し
かし各段のための循環ポンプ及び関連の弁と制御装置を
持つ必要があるために、再循環段直列設計の価格は比較
的高い。前述の装置の１例が図１に示されている。段ご
とに並列な６ハウジングが三つのモジュールを各ハウジ
ング内で直列にして用いられる。合計で４段が示されて
いる。４段の各々に一つのポンプと関連の弁及び制御装
置が第１段に原料を送るポンプのほかに普通必要であ
る。

【００１０】

【発明が解決しよとする課題】したがって、本発明の主
な目的は、従来技術の貫流設計で可能なより大きな融通
度と圧力と流量についての大きな制御を可能にし、なお
従来の技術の再循環設計を越えるかなりの費用節約を与
える多段ろ過装置のための方法と装置を提供することで
ある。

【００１１】本発明の重要な一つの目的は、直列に配列
された二つ以上の段を有することによって貫流多段ろ過
装置の利点を達成するが、また貫流ストリームを用いる
ことによって貫流設計の利点の幾つかを達成する装置と
方法を提供することである。また本発明の一つの目的は
ハードウエアコストが装置の圧力より容量によってより
多く影響されるので、装置の流量を大きくするよりずっ
と少ない費用で装置の圧力を大きくできるハードウエア
設計パラメータを利用することによって多段ろ過装置に
おける効率を大きくできることである。

【００１２】なお本発明のもう一つの目的は従来技術を
特徴づけたように各段の後に再循環するのではなく、再
循環の前に多重段を直列に結合することによって従来の
多段直列再循環装置よりずっと低いコストで働く多段ろ
過装置を提供することである。 本発明のその他の目的
は添付図面を参照して読むとき以下の説明から明らかに
なるであろう。

【００１３】

【実施例】図２に示され数字３６によって総括的に表わ
されるている本発明の装置を次に参照すると、この装置
には数字３８及び４０によって表わされた二つの段があ
る。段３８は、並列関係に配置された複数のハウジング
１４を備え、各ハウジングは三つのモジュール１６を中
に含んでいる。各ハウジングはそれぞれの入口に接続さ
れた供給ライン４４を有する供給マニホルド４２によっ
て原料を供給される。ハウジング１４に含まれた三つの
モジュール１６からの透過液は透過液ライン４６を経て
それぞれのハウジングからのライン４６のすべてと結合
された本管４８へ導かれる。

【００１４】各ハウジング１４からの濃縮液出力は、ラ
イン５０を経てそれぞれのハウジングからのすべてのラ
イン５０と結合された濃縮液マニホルド５２へ送られ
る。マニホルド５２からは第２段４０のハウジング１４
に原料を供給する複数のライン５４が出ている。

【００１５】図２を見て容易に明らかなように、第２段
４０は二つ少ないハウジング１４が並列になっているこ
とを除いて第１段３８と同じである。明瞭にするため
に、第２段の透過液本管は数字４８ａで表わされてい
る。第２段４０のための濃縮液マニホルドは数字５２ａ
で表されている。戻りライン５６がマニホルド５２ａか
ら再循環ポンプ５８へ伸びている。製品出口ライン６０
が戻りライン５６を通って動かない濃縮液の部分を除
き、このラインを経て装置から去る濃縮液の量を制御す
る制御弁６２を備えている。再循環ポンプ５８からの出
力は、接続ライン６４を通って供給マニホルド４２へ動
かされる。第２の制御弁６２が接続ライン６４を通過す
る液体の量を変えるのに用いられている。

【００１６】供給ライン６６がライン７０を経て再循環
ポンプ５８に接続されたフイードポンプ６８ヘ被分離液
を導入する。第３の制御弁６２がフイードポンプ６８か
らの出力を制御するためにライン７０に置かれている。
第１の流れ制御装置Ｃ_１がラ。イン７０の中の弁６２を
通る流量を監視し、制御ライン７２を経てライン６０の
弁６２を通る流れを監視する第２の制御装置Ｃ_２へ接続
されている。

【００１７】次に図３を参照すると、ハウジング１４が
断面詳細図で示されている。簡単にするために、単一の
モジュール１６だけがハウジング内に示されているが、
実際には通常多重モジュールが任意のどのハウジング１
４の中にも存在することに注意されたい。ハウジング１
４にある穴の真ん中を通して管壁にある複数の穴７６を
特徴とする透過液パイプ７４が取付けられている。パイ
プ７４の周りには、編んだ不活性材料から成る膜スペー
サ８０によって分離されている巻回物を有する多層の適
当な膜７８から成っていてもよいろ過材料が巻かれてい
る。ハウジング１４の一端にはライン４４からの液体給
送を受ける適当な穴（図示なし）が設けられている。も
ちろん、供給ライン４４の所在場所はハウジング１４の
入力側のどこであってもよいことが理解されるべきであ
る。ハウジング１４の出口端にあるもう一つの穴（図示
なし）が前述の方法で濃縮液マニホルド接続する濃縮液
出力ライン５０と通じている。フイルタ媒質と穴７６を
通過する透過液は、次のモジュールの隣接した透過液パ
イプと通ずるか又は接続部内の最終モジュールの場合に
透過液を本管４８を通して遠隔処理場所に運ぶ透過液ラ
イン４６と通じているパイプ７４の中に集められてい
る。

【００１８】動作について述べると、濃縮液分と透過液
分とに分離されるべき液体を含む流体供給ストリームが
供給ライン６６を経てフイードポンプ６８ヘ、したがっ
て、再循環ポンプ５８と供給マニホルド４２ヘ送られ
る。弁６２は、ポンプ５８と６８を通して流れを制御す
るのに用いられ、一方、製品出口ライン６０に置かれた
第３の弁６２を用いてシステム内の圧力を取り出されつ
つある製品の量を制限することによってさらに制御でき
る。制御装置Ｃ_１及びＣ_２は、フイードライン７０及び
製品出口ライン６０にある弁６２を通る流れを監視し、
ろ過装置の両側にあるフイードライン７０と製品出口ラ
イン６０との間の圧力流量の比を一定に保つように設計
されている。第３の弁６２（ライン６４にある）はろ過
装置の入力側における流量と圧力を制御装置Ｃ_１及びＣ
_２と独立に制御できるようにする。被分離液がろ過装置
３８の第１段に導かれ、そこで供給ストリームが分けら
れて、並列流れで同時に第１段モジュール１４を通過す
る。被分離液は各ハウジング１４にあるろ過モジュール
１６を通過し、ろ過モジュールにおいて透過液は、ろ過
媒質を半径方向に通過して透過液パイプ７４の中に入
り、濃縮液はろ過媒質を軸方向に通過してハウジングの
遠い端から出る。透過液がそれをさらに処理するために
遠隔の場所へ運ぶ本管４８の集められる。各ハウジング
１４からの濃縮液がライン５０を経て取り除かれ、ライ
ン５０において濃縮液マニホルド５２ヘ導かれる。

【００１９】第２段４０はまた複数のハウジング１４を
もっているが、第１段におけるハウジングの数より少な
い（例において二つ少なく示されている）。ハウジング
の数の減少は、透過分を埋め合せることによって適当な
横流速度を保つ。第１段３８からの濃縮液は、第２段０
のための供給原料を形成し、ライン５４を経て第２段ハ
ウジングニ導入される。図２に示されているように、第
２段におけるハウジング１４もまた供給液がハウジング
を通って同時に並列に流れるように配置されている。第
２段のハウジングは、事実上、第１段の対応するハウジ
ングト直列に接続され、被分離液を透過液分にさらに濃
縮することが第１段について既に述べ他のと同じやり方
で第２段において起こる。

【００２０】第２段からの透過液がライン４６を経て第
１段本管４８と接続されている本管４８ａへ送られる。
第２段のハウジング１４からの濃縮液がライン５６と６
０に分かれる第２段濃縮液マニホルド５２ａへライン５
０を経て導かれる。濃縮液の一部分がライン６０を経て
取り除かれ、その後の処理のための遠隔の場所へ導かれ
る。残りの濃縮液は、ライン５６と再循環ポンプ５８を
経て再循環する。貫流設計及び再環設計の特徴の組合わ
せを採用することによって、装置の効率を高めるハード
ウエア経済学を利用するかなりの効率が得られる。この
増加した効率は、図１及び図２を比較することによって
最もよく理解される。図１に例示された従来技術のろ過
装置１０が本発明のろ過装置３６と同じ数のろ過モジュ
ール１６を持っていることに注意されたい。ポンプの費
用はポンプの圧力ヘッドではなくポンプの流量容量によ
って最も影響されるので、従来の再循環ポンプ２８より
流量容量及び圧力定格がわずかに大きいだけである単一
の再循環ポンプ５８を用いることができる。本発明によ
って示唆された構成に従うモジュールを配列することに
よって、図１に示された四つの再循環ポンプの２８のう
ちの三つを完全に除去する。それ以上の節約が各再循環
段と関連するはずの弁制御装置及びその他のハードウエ
アの費用をなくすことによって実現される。

【００２１】本発明のろ過装置はまた、従来技術の「貫
流」設計と比較するときかなりの動作効率を示す。その
理由はフイードポンプ６８と再循環ポンプ５８を組合わ
せて利用すると、圧力と流量を独立に制御し、単一のポ
ンプだけで可能であるよりずっと広い動作範囲の流量と
圧力を持つことができるからである。

【００２２】本発明はまた液体を透過液分と濃縮液分に
ろ過し、横並びの関係で配置された複数の第１のろ過モ
ジュールを備えて、それらのモジュールを並列流れで通
過する供給ストリームを受けることを含む方法を含むこ
とがわかるであろう。複数の第１段モジュールからの濃
縮液は、第１段モジュールと直列に、かつ互いに並列に
なって配置された複数の第２段モジュールへ送られ、濃
縮液が第２段のモジュールを並列流れで進むようにす
る。第２段からの濃縮液は、濃縮液が最小の供給ストリ
ームに結合する手段へ一部分再循環される。供給ストリ
ームの通過段階と再循環段階との両方の間これらの二つ
の段階を実行するとき、装置にかかる一定の流れ圧力を
保つように液体流量を検知することが好ましい。

【００２３】装置経済学は、本発明の装置と方法が普通
は二つのろ過段を備え、各々の段が二つの段の間で直列
に結合された複数のモジュールを並列に備えているよう
なものになっているが、再循環工程を実行する前に追加
の段を直列に結合することは、本発明の範囲内である。

【００２４】１ハウジング当りのモジュールの数及び１
段当りのハウジングの数を特定のろ過装置の使用に合わ
せるように変えることができることもまた理解すべきで
ある。二つの隣接ハウジング１４を一つのハウジングか
らの透過液パイプを次のハウジングにある透過液パイプ
に直接に行くように直列に接続できることも述べておく
必要がある。次に、第１段の二つの端のハウジングは、
第２段のための一つ以上の供給パイプへ直接に結合され
る濃縮液出力ラインを持つことができよう。

【００２５】上述のことから、本発明は、これまでに述
べたすべての目的ならびに本発明を商業的用途に利用す
るときに明らかになる見込みのあるその他の利点を達成
するのによく適応される一つであることがわかるであろ
う。

【００２６】開示した発明の２、３の特徴及び副組合わ
せが有用であり他の特徴や副組合わせを参照することな
しに用いることができることがわかるであろう。これは
特許請求の範囲内によって考えられその範囲内にある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術において周知である再循環段直列設
計の略図である。

【図２】 本発明の特徴を組入れたシステム設計の略図
である。

【図３】 ハウジング又は容器の中に囲われた代表的ろ
過モジュールの拡大断面図である。

【符号の説明】

１４ ハウジング １６ モジュール ３６ ろ過装置 ３８ 段 ４０ 第２段 ４２ 供給マニホルド ４４ 透過液ライン ５２，５２ａ 濃縮液マニホルド ５８ 再循環ポンプ ６２ 制御弁 ６８ フイードポンプ ７６ 穴 ７８ 膜 ８０ 膜スペーサ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体供給ストリームを濃縮液分と透過液
   分とに分離するろ過装置であって、該装置が 貫流する前記流体供給ストリームの並列流れに対して横
   並びの関係に配置された複数のろ過モジュールを備え、
   前記モジュールの各々が入口、濃縮液出口及び透過液出
   口を有する第１段と、 互いに並列に接続された複数のろ過モジュールを備える
   第２段と、 前記第１の段のモジュールを前記第２の段のモジュール
   へポンプを通さずに直接に結合する手段と、 前記第１段及び第２段に前記流体供給ストリームを押し
   通す手段と、 前記濃縮液の一部分を前記第２の段から前記第１の段へ
   再循環させる手段を備えて成ることを特徴とするろ過装
   置。
2. 【請求項２】 前記第２の段にあるモジュールの数が前
   記第１の段にあるモジュールの数より少ないことを特徴
   とする請求項１に記載のろ過装置。
3. 【請求項３】 前記流体供給ストリームを押し通す前記
   手段が第１のポンプ手段を備え、前記濃縮液の一部分を
   再循環させる前記手段が第２のポンプ手段を備え、また
   前記第１及び第２の両方のポンプ手段を通る流量を検知
   する手段を設けられ、前記検知手段が前記第１及び第２
   のポンプ手段の流量の間の比を一定に保つ手段を備え、
   さらに前記第１及び第２のポンプ手段の一方を通る流れ
   を前記流量を検知する手段と関係なく制御する流量制御
   手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載のろ
   過装置。
4. 【請求項４】 前記モジュールの各々が渦巻ろ過膜を備
   えていることを特徴とする請求項１に記載のろ過装置。
5. 【請求項５】 流体供給ストリームを濃縮液分と透過液
   分に分離するろ過装置であって、該装置が 並列な関係に配置され、各々が中に受けられる少なくと
   も一つの渦巻膜モジュールを備え、さらに入口、濃縮液
   出口及び透過液出口を備えている複数の第１のハウジン
   グ部材を備えた第１段と、 前記第１のハウジング部材へ前記流体供給ストリームを
   導入する手段と、 互いに並列な関係に配置された複数の第２のハウジング
   部材を備えた第２段と、前記第１段及び第２段に前記流
   体供給ストリームを押し通す手段と、 前記第２の段のハウジングからの濃縮液の一部分を前記
   第１の段のハウジングヘ再循環する手段とを備え、 前記第２のハウジング部材の数が前記第１のハウジング
   部材の数より少なくとも一つ少なく、前記第２のハウジ
   ングの各々が入口、濃縮液出口及び透過液出口を有し、 前記第２のハウジングの各々が中に受けられる少なくと
   も一つの渦巻膜モジュールを有することを特徴とするろ
   過装置。
6. 【請求項６】 少なくとも二つの分離可能な成分から成
   る液体をろ過する方法であって、該方法が 横並びに並んだ複数の第１のろ過モジュールを用意する
   工程と、 前記液体の供給ストリームを前記第１のろ過モジュール
   に並列流れで通す工程と、 前記第１のろ過モジュールからの濃縮液をポンプを通す
   ことなく直接に複数の第２のろ過モジュールヘ送る工程
   と、 前記第２のろ過モジュールからの濃縮液の一部分を前記
   液体供給ストリームへ再循環させる工程とを備え、 前記第２のろ過モジュールが貫流する前記濃縮液の並列
   流れを送るように横並びの関係に配置されていることを
   特徴とするろ過方法。
7. 【請求項７】 前記第２の複数のろ過モジュールの数が
   前記第１の複数のろ過モジュールの数より小さいことを
   特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記並列流れで通す工程と再循環させる
   工程の両方の間の液体の流量を検知して二つの工程が行
   われるとき事実上一定の流量を保つ工程を含むことを特
   徴とする請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記並列流れで通す工程と前記再循環さ
   せる工程との少なくとも一方の間前記一定流量を維持す
   る工程と関係なく液体の流れを制御する工程を含むこと
   を特徴とする請求項８に記載の方法。