JPH09323030A - 懸濁液の回転平膜による膜分離方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転平膜で圧縮性粒子を含む懸濁液を膜分離す
る際に、小さな動力エネルギで大きな濾過速度を得るこ
とができ、且つ回分濃縮においては濃縮終了時に膜面に
付着する懸濁液の付着量を小さくすることのできる懸濁
液の回転平膜による膜分離方法及び装置を提供する。 【解決手段】圧縮性粒子を含む懸濁液の濃度を、濾過水
の積算流量計２４で測定して、その測定結果に基づいて
コントローラ２６で回転平膜１４の周速度を、 3.3 ×Ｃ^0.18 −1.0 ≦Ｖ≦3.3 ×Ｃ^0.18 ＋1.0 但し、Ｖ：回転平膜の周速度（ｍ／秒） Ｃ：圧縮性粒子を含む懸濁液濃度（ｇ／ｌ） になるように制御したので、回転平膜１４を回転させる
動力エネルギに対して最大の濾過速度が得られるように
最適な周速度で回転平膜を制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は懸濁液の回転平膜に
よる膜分離方法及び装置に係り、特に廃水処理、或いは
医薬品や食品の製造工程で用いられる微生物懸濁液を膜
分離する懸濁液の回転平膜による膜分離方法及び装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の膜分離技術の急速な進歩に伴い、
膜分離装置は各種の分野で広く使用されている。特に、
廃水処理工程における活性汚泥の分離や、医薬品や食品
の製造工程における微生物培養液の分離等の微生物を扱
う分野において積極的に利用されている。

【０００３】例えば、廃水処理工程における処理水中か
らの活性汚泥を膜分離する場合、膜面に微生物が付着す
ることにより濾過速度が低下する。この為、膜面に剪断
力を与え、微生物を除去しながら膜分離する、所謂クロ
スフロー膜分離が採用されている。通常のクロスフロー
膜分離装置は、膜面に対して平行な方向に懸濁液を高流
速で流すことによって膜面に剪断力を与えて膜面に付着
した微生物を除去するものであり、懸濁液の流速に比例
して濾過速度が速くなる。従って、この種の膜分離装置
の場合、濾過速度を速くするために多量の液を膜面に循
環しなくてはならず、循環させるための大きな動力を必
要とし、また循環液を流すことによる圧力損失が大きく
なるために循環用配管を太くしたり、ポンプ動力を大き
くしなくてはならないという欠点がある。

【０００４】この欠点を解消するものとして、本出願人
は、膜面に懸濁液を流すのではなく、懸濁液中で膜を回
転させることによって膜面に対して懸濁液の流速を相対
的に発生させると共に、膜面に剪断力を与えて微生物を
膜面から除去することにより濾過速度を速くする回転平
膜型の膜分離装置を提案した（特願平２─３４０７３１
号公報）。この装置は、回転平膜を回転することによっ
て膜面に効率良く剪断力と遠心力を与えることができ、
微生物を除去できるので、濾過速度を増加することがで
きる。そして、従来は、回転平膜を回転させる周速度が
大きいほど濾過速度が大きくなるという考えから、回転
平膜を大きな周速度で一定に維持した状態で懸濁液を膜
分離していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の懸濁
液の回転平膜型の膜分離装置は、膜面に付着した微生物
の除去効率がよくなるので濾過速度は増加する反面、回
転平膜を大きな周速度で一定に維持した状態で懸濁液を
膜分離していたので、回転平膜を回転させるための動力
エネルギが非常に大きくなるという欠点がある。

【０００６】また、懸濁液を回転平膜型の膜分離装置で
微生物懸濁液を回分濃縮する場合には、濃縮終了時に多
量の微生物が膜面に付着するため、膜の洗浄が困難にな
るだけではなく、微生物を製品にする場合には、製品の
収率が低下するという欠点があった。本発明は、このよ
うな事情に鑑みてなされたもので、回転平膜で圧縮性粒
子を含む懸濁液を膜分離する際に、小さな動力エネルギ
で大きな濾過速度を得ることができ、且つ回分濃縮にお
いては濃縮終了時に膜面に付着する懸濁液の付着量を小
さくすることのできる懸濁液の回転平膜による膜分離方
法及び装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明は前記目的を達成す
る為に、圧縮性粒子を含む懸濁液を回転平膜で膜分離す
る懸濁液の回転平膜による膜分離方法に於いて、前記回
転平膜の周速度を前記懸濁液の濃度に基づいて制御する
ことを特徴とする。また、本発明は前記目的を達成する
為に、圧縮性粒子を含む懸濁液を回転平膜で膜分離する
懸濁液の回転平膜による膜分離装置に於いて、前記懸濁
液の濃度を測定する測定手段と、前記測定手段で測定し
た懸濁液濃度に基づいて前記回転平膜の周速度を制御す
る制御手段とを備えたことを特徴とする。

【０００８】本発明は、圧縮性粒子を含む懸濁液、例え
ば微生物懸濁液を、回転平膜で膜分離する際に、懸濁液
濃度と回転平膜の周速度と濾過速度の３者の間には密接
な関係があるという知見を得、この知見に基づいてなさ
れたものである。本発明によれば、回転平膜の周速度を
圧縮性粒子を含む懸濁液の濃度に基づいて制御するよう
にしたので、回転平膜を回転させる動力エネルギに対し
て最大の濾過速度が得られるように最適な周速度で回転
平膜を制御することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係
る懸濁液の回転平膜による膜分離方法及び装置の実施の
形態について詳説する。本発明は、圧縮性粒子を含む懸
濁液、例えば微生物懸濁液を、回転平膜で膜分離する際
に、懸濁液濃度と回転平膜の周速度と濾過速度の３者の
間には密接な関係があるという知見を得、この知見に基
づいてなされたものである。従って、本発明の懸濁液の
回転平膜による膜分離方法及び装置を説明する前に、本
発明の理論的根拠を説明する。尚、圧縮性粒子とは圧力
により変形する粒子であり、非圧縮性粒子に対応するも
のである。

【００１０】以下に、圧縮性粒子を含む懸濁液として、
酵母懸濁液、細菌懸濁液等の微生物懸濁液の例で説明す
る。図１は、回転平膜型の膜分離装置を用いて、酵母懸
濁液（濃度１０ｇ／ｌ、１００ｇ／ｌ、２００ｇ／ｌ）
を膜分離した場合の回転平膜の周速度と濾過速度との関
係を示したグラフである。

【００１１】一般に、管型や中空糸型の膜分離装置で酵
母懸濁液を膜分離した場合には、膜面に流す懸濁液の流
速と膜濾過速度とは直線的な比例関係を示す。しかしな
がら、図１から分かるように、回転平膜型の膜分離装置
の場合には、回転平膜の周速度と濾過速度とは直線的な
比例関係にはなく、懸濁液中の酵母濃度に応じて濾過速
度が最大になる最適な周速度の範囲が存在する。

【００１２】即ち、懸濁液の酵母濃度が１０ｇ／ｌのよ
うに低濃度の場合には、周速度が５ｍ／秒以上で濾過速
度が最大の略４．５ｍ／秒になってそのまま推移した
後、９ｍ／秒以上になると濾過速度が低下し始める。ま
た、懸濁液の酵母濃度が１００ｇ／ｌのように中濃度の
場合には、周速度が６ｍ／秒以上で濾過速度が最大の略
４．５ｍ／秒になってそのまま推移した後、９ｍ／秒以
上になると濾過速度が低下し始める。更に、懸濁液の酵
母濃度が２００ｇ／ｌのように膜による膜濾過のほぼ上
限に近い高濃度の場合には、周速度が９ｍ／秒以上で濾
過速度が最大の略４．５ｍ／秒になってそのまま推移し
た後、１０ｍ／秒近傍以上になると濾過速度が低下し始
める。

【００１３】この結果は、回転平膜型の膜分離装置の場
合、管型や中空糸型の膜分離装置のように膜面に流す懸
濁液の流速と濾過速度とが直線的な比例関係にならず、
最大の濾過速度が得られる周速度の範囲が存在すると共
に、懸濁液の酵母濃度が変動しても濾過速度の最大値は
変わらないが、最大の濾過速度が得られる最適な回転平
膜の周速度の範囲は、懸濁液の酵母濃度により異なるこ
とを示している。そして、この結果は、酵母懸濁液に限
らず他の微生物懸濁液、更には圧縮性粒子を含む懸濁液
を回転平膜型の膜分離装置で膜分離した場合も同様であ
る。

【００１４】回転平膜型の膜分離装置で懸濁液を膜分離
した場合に濾過速度が最大になる最適な周速度が存在す
る理由としては、周速度が大きくなると懸濁液と回転平
膜の界面に働く剪断力及び回転平膜の遠心力による剥離
作用により膜面に付着する懸濁物の付着量が減少して濾
過速度を上昇させる一方、周速度が大きくなり過ぎると
回転平膜を透過した濾過液が大きな遠心力により後記す
る回転平膜型の膜分離装置の中空回転軸に集水されにく
くなり逆に濾過速度を低下させるためと考えられる。

【００１５】ちなみに、回転平膜型の膜分離装置で、非
圧縮性粒子、例えばポリメチルメタアクリレートを含む
懸濁液を膜分離した場合には、回転平膜の周速度と濾過
速度とは直線的な比例関係を形成する。図２は、最大の
濾過速度が得られる回転平膜の最適な周速度が、圧縮性
粒子の種類、即ち懸濁液の種類によってどのように変動
するかを示した図である。ここで使用した懸濁液の種類
としては、図１で説明した酵母の他に、桿菌、球菌の微
生物の培養液を懸濁液として用い、これらの懸濁液を膜
濾過した時の回転平膜の周速度と微生物濃度との関係を
示したものである。

【００１６】図２の曲線Ａは、図１に示した濾過速度の
最大値である略４．５ｍ／秒を得る際に、微生物の種類
により変動する周速度変動幅の上限を示したものであ
る。また、曲線Ｂは、濾過速度の最大値である略４．５
ｍ／秒を得る際に、微生物の種類により変動する周速度
変動幅の下限を示たものである。図２の結果から分かる
ように、図１で説明した最大の濾過速度を得るための回
転平膜の最適な周速度と微生物濃度との関係は、微生物
の種類が変わっても、曲線Ａから曲線Ｂの間（縦線部
分）の一定の変動幅を維持した状態で変化する。そし
て、図２の結果は、微生物の種類に係わらず圧縮性粒子
を含む懸濁液を回転平膜で膜分離した場合に共通であっ
た。即ち、回転平膜型の膜分離装置で圧縮性粒子を含む
懸濁液を膜分離する場合、曲線Ａ以上での回転平膜の周
速度は、濾過速度がそれ以上上昇しないにも係わらず回
転平膜を回転させる動力エネルギを浪費するエリアであ
り、曲線Ｂ以下での回転平膜の周速度は、濾過速度が遅
くなり、膜面積を大きくしなくては膜濾過速度を大きく
できないエリアであることを示している。

【００１７】本発明者等は、以上、図１及び図２から、
曲線Ａ〜曲線Ｂの間で微生物濃度に基づいて回転平膜の
周速度を制御すれば、微生物の種類に関係なく、回転平
膜を回転させる動力エネルギに対して最大の膜濾過速度
を得ることができるという知見を得た。そして、図２の
曲線Ａ及びＢから、圧縮性粒子を含む懸濁液濃度に基づ
いた回転平膜の最適な周速度を式で表すと、曲線Ａは、

【００１８】

【数１】 3.3 ×Ｃ^0.18 ＋1.0 …（１）となり、曲線
Ｂは、

【００１９】

【数２】 3.3 ×Ｃ^0.18 −1.0 …（２）となる。従っ
て、圧縮性粒子を含む懸濁液の種類に関係なく、懸濁液
濃度に応じて最大の濾過速度を得るための最適な回転平
膜の周速度の範囲は、

【００２０】

【数３】 3.3 ×Ｃ^0.18 −1.0 ≦Ｖ≦3.3 ×Ｃ^0.18 ＋
1.0 …（３）で表すことができる。 但し、Ｖ：回転平膜の周速度（ｍ／秒） Ｃ：圧縮性粒子を含む懸濁液濃度（ｇ／ｌ） 図３は、上記知見に基づいて構成した本発明の懸濁液の
膜分離装置の概略構成図である。

【００２１】図３に示すように、本発明に係る回転平膜
型の膜分離装置１０は、ケーシング１２内に複数の回転
平膜１４、１４…を所定間隔で並設した中空の中空回転
軸１６が回転自在に設けられる。回転平膜１４は、透水
性の円板状ディスクに精密膜濾過膜又は限外膜濾過膜が
纏着された構造を有している。そして、中空回転軸１６
の一端側は、モータ１８に連結されており中空回転軸１
６を介して回転平膜１４を回転させる。また、中空回転
軸１６の他端側は、中空回転軸１６の回転を阻害しない
機構を介して濾過水配管２０に接続される。更に、濾過
水配管２０の途中には吸引ポンプ２２が設けられ、吸引
ポンプ２２が作動すると、濾過水配管２０、中空回転軸
１６を介して回転平膜１４内を負圧にする。これによ
り、ケーシング１２内の圧縮性粒子を含む懸濁液は回転
平膜により膜分離されると共に、膜濾過された濾過水は
回転平膜内を流れて中空な中空回転軸１６に集水され、
濾過水配管２０に流れ、濾過水タンク２８に貯留され
る。

【００２２】また、濾過水配管２０の途中には、濾過水
の積算流量を計測する積算流量計２４が設けられる。積
算流量計２４での計測結果はコントローラ２６に出力さ
れる。コントローラ２６には、予め上記の式（３）の圧
縮性粒子を含む懸濁液に基づいた回転平膜１４の周速度
の算出式が入力されている。そして、コントローラ２６
では濾過水の積算流量からケーシング１２内に供給され
る原液の懸濁液濃度が演算されると共に、演算された懸
濁液濃度に基づいてモータの回転数、即ち、回転平膜の
周速度が上記した式（３）の範囲になるように制御され
る。

【００２３】本発明の回転平膜型の膜分離装置によれ
ば、回転平膜の周速度を圧縮性粒子を含む懸濁液の濃度
に基づいて制御するようにしたので、最大の膜濾過速度
が得られるように回転平膜１４の周速度を最適な範囲に
制御することができる。尚、本実施の形態では、圧縮性
粒子を含む懸濁液として酵母等の微生物を含む微生物懸
濁液の例で説明したが、微生物懸濁液に限定されるもの
ではなく、圧縮性を有する粒子を含む全ての懸濁液につ
いて適用することができる。

【００２４】

【実施例】次に、上記の回転平膜型の膜分離装置を用い
て、本発明の懸濁液の膜分離方法の実施例を説明する。
実施例は、濃度１０ｇ／ｌの酵母懸濁液を膜分離して、
膜分離のほぼ濃縮上限である濃度２００ｇ／ｌの酵母懸
濁液に回分濃縮する場合について、回転平膜の動力エネ
ルギと濾過速度を調べた。

【００２５】図４（ａ）の濾過時間と回転平膜の周速度
との関係に示すように、本発明の方法は、微生物濃度に
基づいて、濃縮開始後の懸濁液濃度が低い時には回転平
膜の周速度を遅く制御し、濃縮が進行して懸濁液濃度が
高くなるに従って周速度が速くなるように制御した。ま
た、比較例としては、回転平膜を一定の周速度で回転さ
せる従来の方法について行い、周速度は７ｍ／秒で一定
になるように設定した。従来の方法において、７ｍ／秒
の周速度に設定した理由は、本発明と従来の方法とで、
回転平膜の動力エネルギの比較をし易いように、図４
（ｂ）に示すように本発明と従来とで濾過水の総量が略
同等になるように設定した為である。

【００２６】図４（ｃ）は、濾過時間に対する回転平膜
の動力エネルギについて本発明の方法と従来の方法とを
比較したものである。図４（ｂ）から分かるように、本
発明は濃縮開始から濃縮終了の懸濁液濃度である２００
ｇ／ｌまで一定した濾過速度が得られるのに対し、従来
の方法は濃縮終了近傍で濾過速度が減少した。

【００２７】しかし、予め設定したように、本発明と従
来の方法とで、濾過水の総量は略同じになり、このこと
を踏まえて図４（ｃ）を見ると、濃縮開始から濃縮終了
近傍のＡ位置まで本発明の方法による動力エネルギは、
従来の方法による動力エネルギより低い状態で推移し、
Ａ位置で逆転して本発明の動力エネルギが従来の動力エ
ネルギより高くなる。即ち、濃度１０ｇ／ｌの酵母懸濁
液を濃度２００ｇ／ｌの酵母懸濁液に濃縮するのに要し
た動力エネルギの総量で比較すると、図４（ｃ）におけ
る斜線部分が本発明が従来よりも動力エネルギの小さい
部分で、網掛け部分が大きい部分である。これを具体的
な数値で示すと、本発明の方法を採用した場合の動力エ
ネルギの総量は、従来の方法を採用した場合の動力エネ
ルギの総量よりも約１５％削減することができた。

【００２８】また、本発明は、濃縮終了時には、周速度
を速くしているために、回転平膜の表面に付着する酵母
の量を従来の方法に比べて約２０％削減することができ
た。これにより、濃縮終了後の回転平膜の洗浄が容易に
なると共に、酵母の回収率をも向上させることができ
た。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の懸濁液の
回転平膜による膜分離方法及び装置によれば、回転平膜
の周速度を圧縮性粒子を含む懸濁液の濃度に基づいて制
御するようにしたので、回転平膜を回転させるに要する
最小限の動力エネルギで最大の濾過速度を得ることがで
きる。従って、濾過水量の単位当たりの回転平膜の動力
エネルギを削減することができるので、省エネになる。

【００３０】また、本発明の膜分離装置で懸濁液を濃縮
する場合には、濃縮終了時における膜面に付着する懸濁
物質である圧縮性粒子を少なくすることができるので、
洗浄が容易になると共に、懸濁物質の回収率を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮性粒子を含む懸濁液を回転平膜型の膜分離
装置で膜濾過した時の、回転平膜の周速度と濾過速度と
の関係を示したグラフ

【図２】圧縮性粒子を含む懸濁液を回転平膜型の膜分離
装置で膜濾過した時の、微生物濃度と回転平膜の周速度
との関係を示したグラフ

【図３】本発明に係る回転平膜型の膜分離装置の構成図

【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の膜分離方法の
実施例を説明する説明図

【符号の説明】

１０…膜分離装置 １２…ケーシング １４…回転平膜 １６…中空回転軸 １８…モータ ２０…濾過水配管 ２２…吸引ポンプ ２４…積算流量計 ２６…コントローラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮性粒子を含む懸濁液を回転平膜で膜分
   離する懸濁液の回転平膜による膜分離方法に於いて、 前記回転平膜の周速度を前記懸濁液の濃度に基づいて制
   御することを特徴とする懸濁液の回転平膜による膜分離
   方法。
2. 【請求項２】前記圧縮性粒子を含む懸濁液を膜分離する
   回転平膜の周速度の制御範囲は、 3.3 ×Ｃ^0.18 −1.0 ≦Ｖ≦3.3 ×Ｃ^0.18 ＋1.0 但し、Ｖ：回転平膜の周速度（ｍ／秒） Ｃ：圧縮性粒子を含む懸濁液濃度（ｇ／ｌ） であることを特徴とする請求項１の懸濁液の回転平膜に
   よる膜分離方法。
3. 【請求項３】前記圧縮性粒子を含む懸濁液は、酵母、細
   菌等の微生物懸濁液であることを特徴とする請求項１又
   は２の懸濁液の回転平膜による膜分離方法。
4. 【請求項４】圧縮性粒子を含む懸濁液を回転平膜で膜分
   離する懸濁液の回転平膜による膜分離装置に於いて、 前記懸濁液の濃度を測定する測定手段と、 前記測定手段で測定した懸濁液濃度に基づいて前記回転
   平膜の周速度を制御する制御手段とを備えたことを特徴
   とする懸濁液の回転平膜による膜分離装置。