JPH09503659A - Ｍｆモジュールを用いる液体の濾過の方法とマイクロ濾過装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は液体、とりわけビールのような異種分散の懸濁液の濾過を述べており、ＭＦモジュールの洗浄作業サイクルは、膜内外圧がその分析上の見かけに関して濾過されるべき特殊な流体のため所定の膜内外圧に等しいくなるよう選ばれる所定圧を超えた時、常に実施される。ビール濾過に際して、この値は好ましくは１．５バールである。マイクロ濾過装置に連続かつ平行に整列させた多数のモジュール５と、前記ＭＦモジュール５の洗浄用装置と、設定膜内外圧の達成で濾過工程を中断させ、洗浄作業サイクルの進行を開始させる制御装置７に取付けられた膜内外圧の記録用測定装置３を備える。

Description

【発明の詳細な説明】 ＭＦモジュールを用いる液体の濾過の方法とマイクロ濾過装置 発明の分野 本発明は液体、とりわけビールのような異種分散の懸濁液をＭＦモジュールを 用いて濾過する方法に関するもので、その場合の濾過作業サイクルが洗浄作業サ イクルと交互に来て、濾過中、膜内外の圧力を常に測定できるものである。 本発明の濾過方法はどのような液体にも適用できるが、麦汁、未熟ビールもし くは熟成ビールの処理が本発明においては第１に重要なことである。 従来の技術 醸造所におけるビールの濾過は使用者の期待する製品の生産には重要な処理上 の工程を意味する。これに対処するため、現在珪藻土と層状濾過が用いられる。 しかし、これらには濾過後処分が必要となる濾過補助材料が大量につくられると いう点で欠点がある。事実上これは使用ずみ珪藻土に当て嵌まり、その消費は世 界的にみて年間約１５０，０００トンに達する。この処分されることになる珪藻 土のスラッジは僅かに約２０乃至２５％の乾燥物しか含まれていないので、処分 されるべき珪藻土のスラッジの量は上述のトン数の少なくとも４倍にも達する。 珪藻土スラッジの処分は大きい環境問題の原因になる。珪藻土スラッジにより 惹起される堆積物の不安定性と共に、珪藻土スラッジの浸透水、特に放棄された ものは、その高いＢＳＢとＣＳＢ値により大きい環境上の負担となる。 ほんのしばらく前まで、伝統的な処理法にかわるものを見出だす努力がなされ た。クロスフロー技術が別法としてすでに調査されてきて、特にワインの領域で は受入れらている。今日まで、この技術は醸造業者には主として比表面性能の低 いことと、濾過が長時間続く間、濾過ずみビールが分析的に変化することにより 満足に使用して貰うことができなかった。 ワイン分野では、濾過されるべきワインを加熱することでクロスフロー濾過の 流動速度をドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ３４２３５９４Ａ１号で周知のよう に、著しく増大させる可能性をもっている。製品を３５℃をかなり上回る温度に 加熱する場合、前記クロスフロー法を用いる性能を元の２倍にも向上させること ができる。ビール濾過の領域においては、ビールを−１乃至＋３℃の温度で濾過 して低温では不安定な物質例えば特定の蛋白質が溶解してしまい、従ってその後 、ビールが需要者の目に触れる時、ビールに濁りが起きていないようにする必要 があるのでこの方法は可能である。 ビールの特異成分のためビールの濾過は、例えばワインの濾過よりもかなり難 しい。そのうえ、ビールは粗拡散粒子例えばイースト、もしくはあるいは共存す るビールの害虫、もしくはコロイド状の成分を含んでいる。第１に、この明細書 では炭水化物、タンニンやホップ樹脂を含む蛋白質の高分子量化合物を取扱う。 第３の成分群として示されるものは粒度が０．００１μｍより大きい分子拡散成 分である。 Ｇ．Ｅ．ワッラ（１９９２年ミュンヘン、テクニカル、ユニバーシティのテク ニカル、マイクロバイオロジィ、アンド、ブリューワリィ、テクノロジィ刊の学 位論文”クロスフロー、マイクロフィルトレーション、イン、ブリューワリイズ 第７頁）によれば、次の要求条件がビールの濾過に存在する： １．濾液には十分な物理化学的安定性が備わることと； ２．濾過工程からの不良食味生成物の分解がないこと； ３．濾液の生物学的安定性； ４．泡立ち品質と洗浄濾液；ＣＯ₂含量の保存。 さらなる要求条件は前記濾液の化学分析の見かけに関してである。これは濾過 することによって取るに足らない程度にしか変えられない。 ワッラはその調査の経過にあって、膜内外の圧力が濾液の成分に関してビール の濾過の最適条件（前記学位論文第６６頁）と見做すことができると判断した。 濾液の分析は、原麦汁の含量が、高い方もしくは低い方の膜内外圧と比較して１ ．５バールの膜内外圧で最高に達することを示している。 この経験から進めて、ワッラは流動速度の増速を試みる間、一定の膜内外の圧 力を１．５バールに維持した。 流動速度は膜上に形成される保護膜により影響を受ける。従ってこれを周期的 背面リンスにより除去する試みがなされた。しかし、この手順は作業時間が増大 するに従って、流動速度（濾液で背面すずきする開始時と完了後の両時点で）が 前の作業サイクルでの速度よりも低速である。これは特定の吸着効果が起こって 僅かな程度の膜の閉塞に繋がることで説明がつく。 そのうえ、ワッラは周期的な背面リンスにもかかわらず、クロスフロー法を特 に何時間にもわたる濾過に用いると、原麦汁、見かけの抽出物、濾液中の濃度や 泡の安定度が低下する。平均して濾液の原麦汁は周期的背面リンスをすることな く平均して０．５重量％だけ下落した。周期的背面リンスを用いても変化はそれ でも０．２重量％に止まった。周期的背面リンスを用いないと、泡値が２１泡点 だけ低下し；周期的背面リンスを用いても、低下はそれでも６泡点に止った。 より大きい流動速度の達成のもう１つ別の選択は流出速度の増加にある（ワッ ラの学位論文第６２ｆｆ頁参照）。しかし、調査の結果から、長時間に亘る高流 出速度でさえも、著しく高い流動速度をもたらさないことが明白になった。約５ 時間の濾過後の平均的性能は６ｍ／秒の速度でさえも、１時間当り僅か３５ｌ／ ｍ²に達するだけである。この原因は高い流出速度を用いる時でさえ、前記膜面 上の保護膜の付着は避けることができないからである。 そのうえ、生じた前記保護膜が、いわゆる第２の膜の形成による濾過の成果に 実際の膜の選択性がより大きくなるような仕方でかなり影響する。これは大形の 呼称気孔の大きさの膜を用いる場合でも、膜の標準的気孔の大きさを遥かに下回 る保護膜を形成して、そのために、ビールに不可欠な成分をビールから除去する ことになる。 しかし、高い流速は次の理由でビールの濾過では避けられることになる。先ず 第１に、流出ポンプ送りは系に導入されるべき莫大な量のエネルギーを発生させ 、そのため、補助冷却がない限り、ビールの温度は極めて急速に上昇する。コロ イド状の物質をビール、特にグルカンに機械的に添加することにより、ビールの 濾過能力は、β−グルカンのゲル化することで前記クロスフロー装置におけるポ ンプ送りによる導入のため着実に悪化する。 ビールを発酵工程中導入された原料流れから分離する手順はドイツ連邦共和国 特許公開第３９３６７９７Ｃ２号で公知である。この方法では、高分子膜と対照 的にセラミック膜が温水で減菌できるのでセラミック製膜を用いることができる 。 これらのセラミック製膜は化学洗浄溶液を用いて時間間隔を大きくして洗浄でき 、また温水を用いて多数の中間洗浄工程中で薬品がなくなるまで背面リンスする 。前記洗浄工程は、前記セラミック製の膜の増大する閉塞の結果として濾液の流 量の減少が起った場合にのみ行われる。さらにこの方法では、濾過されるべき液 体の本質的成分となりうる成分まで前記保護膜で濾過してしまう危険性があるの で、濾液の分析的見かけをそこなうものである。 ドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ３９１４９５６Ａ１号からは連続バイオリア クターの材料交換の加速方法が周知である。この方法では、圧力の調整を行って 、２次膜が濾過膜上に形成されることを防ぐ。圧力変化を膜全体に亘って測定さ れた差圧により調整する。これらの変化はつくられた系に液体と栄養素を供給す ることに適応させる必要がある。 １９９０年刊、“ヴァインヴィルトシャフトテクニーク(Weinwirtschaft Teck nik)”第１５乃至２１頁に推奨されているのは、滞留温度が上昇しすぎるか、あ るいは濾過性能が低下しすぎるとクロスフロー濾過を中断して、洗浄作業サイク ルにとりかかることである。 本発明の目的はＭＦモジュールによる濾過の手順と装置を利用して、濾過され る液体の機械的ならびに熱的負荷をほとんどなくして高い平均流動速度を可能に することである。濾液が濾過によりその分析的見かけに影響されないようにする ことである。 前記目的は請求の範囲の請求項１の特徴部分による方法により達成できる。本 装置の要旨は請求の範囲の請求項１４である。好適な実施例は従属する請求項に 記載されている。 本発明は、濾過を導く一方、特定の液体にとって最適条件である膜内外の圧力 を定常に維持して、常に均一の高い流動速度に限らずすぐれた濾液の品質管理の 理由がわからないことの容認から始まる。 相応じて、おのおのの濾過を低い膜内外の圧力で開始する。濾過作業サイクル 中、これは着実に増大して特定の設定値、好ましくは特定の液体に最適の膜内外 圧力に合うようにする。従って、ビールとしての最も有利な値は１乃至２バール 、好ましくは１．５バールである。 濾過作業サイクルの終りに向って、膜内外圧が前記設定膜内外圧に近いと、流 動速度も程度の違いはあるが、形成が避けられない保護膜のため急速に低下する 。それにもかかわらずこれは常に相対的に高く、規定通り最高値の５０％を超え る。 濾過はなるべくならクロスフロー濾過と同様に行うことが好ましい。静的濾過 も、例えばＣＦＭモジュールを使用する時と同じように可能である。 それでもなお高い流動速度にもかかわらず、なるべくならＮａＯＨ、ＫＯＨ乃 至テンサイド(tenside)含有洗浄剤を用いるアルカリ性洗浄を含む洗浄作業サイ クルを実施することが好ましい。 アルカリ洗浄に先立って、背面リンスを水で行うことが好ましい。このことに ついては、水による背面リンスに先立って、濾過されるべき液体をＣＯ₂圧縮ガ スを用いて前記ＭＦモジュールから押出すことである。Ｎ₂圧縮ガスもＣＯ₂の代 りに用いることができる。 前記洗浄工程を洗浄作業サイクル中に加速するためには、前記ＦＭモジュール の流出を行うことが好ましい。 濾過されるべき液体の種類によっては、特にビールを用いる時、濾過に先立っ て、ＭＦモジュールを、分離器もしくはマット類を用いる濾材を用いて前濾過を 行うことが好ましい。 本発明の特定の断続濾過法により、形成される保護膜をアルカリ性高速洗浄に よりほとんど全体的に除去して、そのため濾過中に標準的膜気孔直径だけが実際 の界面として作用させるようにする。品質を保つビールの成分がこのようにして 膜に問題なく浸透する。 本発明の方法をビール濾過に用いる場合、濾過方法、好ましくはＣＭＦ濾過方 法を用いるが、それを１乃至４時間の濾過の後、中断する。ＣＯ₂を用いてビー ルを前記ＣＭＦ装置から押出す。前記装置を予備リンスにかけ、その後アルカリ 性中間洗浄を４０乃至９０℃の温度で行う。前記アルカリ性洗浄工程に続いて、 前記装置を水でリンスする。これも同様にＣＯ₂により前記装置から押出す、そ の後、前記装置に再度ビールを充填する。この方法はＣＭＦ技術にとっては代表 的である第１の濾過位相中、高い流動性能を循環的に利用することを可能にする 。１乃至４時間後に、循環式洗浄を用いる場合、濾過流動の中断にもかかわらず 、 連続ＣＭＦ濾過法を用いて先に達成された流動速度１００％近く上回る速度を達 成させる。 平均してわずか２０乃至３０ｌ／ｍ²を中断なく最高８時間の濾過時間をかけ る連続ＣＭＦ濾過法で達成した。対照的に、新しいタイプの方法を用いると最高 １００ｌ／ｍ²の流動性能を同じ濾過時間をかけて達成した。 高流動速度が低流出速度で達成されたことは意外であった。流出速度は２．５ ｍ／ｓ以下であることが好ましい。前記ＭＦモジュールの静作業も含む低流出速 度の利点は濾過されるべき液体を機械的かつ熱的にほんのわずか負荷することで ある。 そのうえ、ビールの分析的見かけが変らなかったことは意外であった。詳述す れば、ビールすなわち原麦汁の分析的特性が影響を受けないことである。さらに 、ビールの泡安定性も断続ＭＦ法により悪影響を受けなかったことである。 あらゆる現在の濾過モジュールタイプ、特にクロスフローモジュールタイプの もの、好ましくは毛管平面モジュールを設けた装置には膜内外圧測定用測定計器 を備える。そのうえ、前記ＭＦ濾過装置は前記膜内外圧測定用計器を取付けた制 御素子を備える。 設定膜内外圧を達成できる各々の場合、前記制御装置は濾過を中断して、事前 設定洗浄プログラムに基いて洗浄装置に運転を開始させる。洗浄作業サイクルの 完了に続き、前記制御装置により濾過を継続させる。一番適したものとしては、 前記制御装置が前記ＭＦ濾過装置の管路で適当な弁を調節することである。 前記制御装置をなるべくなら、事前設定膜内外圧を入力して、各々の場合、濾 過されるべき特定の液体の最適膜内外圧を事前設定できるようにすることが好ま しい。 前記ＦＭモジュールが０．２乃至５μｍの標準的気孔の大きさをもつ膜を備え ることが好ましい。ポリマー膜を膜として用いることが好ましい。高分子もしく は金属フリースを用いることも可能である。 本発明の代表的実施例を図面に基き説明する。 図面の簡単な説明 第１図は濾過装置のフローチャート図である。 第２図はビールＡの流動速度と膜内外圧を時間により示すグラフである。 第３図はビールＢの図２に相当するグラフである。 第４図はビールＣの図２に相当するグラフである。 図１は濾過されるべきビールを多数の平行スイッチつきＭＦモジュール５に、 供給管路１３にある供給ポンプ２と２つの循環ポンプ４を経由して向けられた収 集タンク１を示すマイクロ濾過装置を示す。 濃縮物は前記装置に残るか、あるいは濃縮物管路を経て排出され、また濾液は 弁により閉鎖できる濾液管路１５に収集される。前記循環ポンプ４の任意の作動 により静的もしくは動的濾過、すなわちクロスフロー濾過の双方が可能になる。 前記マイクロ濾過装置はさらに、化学洗剤と背面リンス水の吸上げ用の洗浄容 器６を事実上示す洗浄装置を呈する。この洗浄容器６を洗浄管路１６と水管路１ ８を介して供給管路１３に接続する。弁９を開放してから前記化学洗剤を供給ポ ンプ２に供給し、その後、ＭＦモジュール５に送出できる。 そのうえ、前記洗浄装置に圧力測定装置３を備えさせる。非濾液ならびに濾液 空間の圧力を絶えず測定して制御装置７に通す。この制御装置は個々の弁からの 膜内外圧を間断なく算出し、それを事前設定値と比較する。 前記設定膜内外圧の達成で、前記制御装置７は濾過を中断し、洗浄作業サイク ルを開始させる。この目的のため、前記制御装置を弁８乃至１２、１９乃至２２ およびポンプ２、４（接続は図示せず）に接続する。濾過を中断する場合、第１ の弁８を閉鎖し、弁２０を開放して装置を空にする。 前記装置を圧縮乾燥させた後、弁１２、２２と１９を閉鎖し、弁２１、１１と ２２を開放する。供給ポンプ２を始動させてから、前記ＭＦモジュール５を水で 前記濾過方向と反対の方向にリンスする。次は装置の化学洗浄となる。このため 、弁２２、２１と１１を閉鎖し、弁１９、９と１０を開放する。 前記化学洗浄を完了させるには、前記洗浄液を弁９を閉鎖し、弁１１の開放後 、前記装置から押出す。弁１１を閉鎖し、弁２０を開放してから前記装置から水 を除去する。洗浄作業サイクルの完了に続いて弁２０と１０を閉鎖して、弁８と １２を再度開放する。 次の試験を上記のように説明した濾過装置を用いて実施した。 前記濾過装置に０．４５μｍの気孔の大きさをもつ永久疎水性膜を入れた合計 ４つの濾過モジュールを備えさせる。全膜面積は２０．０ｍ²に達する。流出速 度は２．５ｍ／秒に達した。 事前設定膜の内外圧を１．７バールに設定し、２つの濾過作業サイクルを７． ５時間内に行い、約１／２時間の洗浄作業サイクルだけ中断させた。結果を、流 動速度、膜内外圧を時間により示す図２で表す。 膜内外圧が約０．２５バールで始動し、その後約１．７バールの事前設定膜の 内外圧に上げる。この膜内外威圧に達するとすぐ、濾過工程を止めて、洗浄作業 サイクルを実施する。図２から分かるように、第２の濾過作業サイクルの開始時 の流動速度は第１の濾過作業サイクルの開始時と丁度同じ高さである。第１の作 業サイクル中、流動速度は２時間の間中定常であり、そこで初めて落ちる。第１ の濾過作業サイクルの終りで、流動速度はそれでもなお初期数値の６０％である 。第２の濾過作業サイクルにおいて、流動速度は１時間後にはすでに落ちてきて いるが、その後約１．５時間の間中、定常を保っている。この実施例における平 均流動速度は１時間当り７５ｌ／ｍ²である。 分析値を次の表１に要約する。 遠心分離（図１には図示せず）を用いる特別の前濾過を実施した。従って、欄 １では分析値を遠心分離の出口で示すので、それはＣＭＦ濾過の非濾過液を示し ている。欄IIは第１の濾過作業サイクル後の分析値を含み、欄IIIは第２の濾過 作業サイクル後の分析値を含む。比較上、欄IVでは分析値を積層膜を用いる伝統 的濾過により要約する。 数々の数値の比較からＥＢＣ色のような数値が最新式の濾過後に比べて良好で あることがわかる。原麦汁含量が非濾液中の含量に対しては変化しなかった。泡 値は欄IVに比較してかなり高く、非濾液の数値と同様に比較できる。 図３は３つの濾過作業サイクルでの線図を示す。ここでは、濾過をもう１つ別 のタイプのビール、すなわちピルスビール(Pi1s Beer)を用いて実施した。ここ での平均流動速度は１時間当り５４ｌ／ｍ²であった。濾過作業サイクル後の分 析値は表からのものと比較できた。同じことが第３のビール濾過試験の流動速度 と膜内外圧を表す図４にも当て嵌まる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘップ．ウォルフガング ドイル連邦共和国．55232．アルツォイ. カール―ゴアーデラー―ストラーセ．22 (72)発明者 デュヘック．パウル ドイツ連邦共和国．55595．グーテンバー グ．バーグストラーセ．１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ＭＦモジュールを用い、液体、特にビールのような異種分散懸濁液の濾過 の濾過作業サイクルが洗浄作業サイクルが洗浄作業サイクルと、濾過中に間断な く測定される膜内外圧で交番する濾過法において、前記洗浄作業サイクルを、前 記膜内外圧が濾過されるべき特定の液体の最適膜内外圧に等しくなるようその分 析的見掛けに関して選ばれる事前設定値を上回る時に常に実施することを特徴と する濾過の方法。 ２．前記事前設定平均膜内外圧を、前記事前設定膜内外圧の達成で流動速度が それでもその最大値の半分を上回ることを特徴とするとする請求項１記載の濾過 の方法。 ３．前記事前設定平均膜内外圧を１乃至２バールに設定することを特徴とする 請求項１もしくは２記載の濾過の方法。 ４．前記膜内外圧の事前設定値を１．５バールに設定することを特徴とする請 求項３記載の濾過の方法。 ５．前記特定の濾過作業サイクル時間の１つの間隔の少くとも間の流動速度を 定常に維持することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の濾過方法 。 ６．前記洗浄作業サイクルがＮａＯＨ、ＫＯＨ乃至テンサイド(tenside)含有 洗剤を用いるアルカリ洗浄とその後、水によるリンスを含むことを特徴とする請 求項１乃至５のいずれか１項記載の濾過の方法。 ７．前記アルカリ洗浄に先立って水による背面リンスが行われることを特徴と する請求項６記載の濾過の方法。 ８．前記濾過されるべき液体を前記ＭＦモジュールから圧縮してからＣＯ²も しくはＮ₂圧縮ガスを用いる水による背面リンスを行うことを特徴とする請求項 ６記載の濾過の方法。 ９．前記洗浄作業サイクル中に、前記ＭＦモジュールの流出が行われることを 特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の濾過の方法。 10．前記モジュールによる濾過に先立って前濾過を実施することを特徴とする 請求項１乃至９のいずれか１項記載の濾過の方法。 11．前記前濾過を分離器もしくはマットにした濾材により実施することを特徴 とする請求項１０記載の濾過の方法。 12．前記方法がクロスフロー濾過で実施されることを特徴とする請求項１乃至 １１のいずれか１項記載の濾過の方法。 13．前記ＭＦモジュールが濾過中静的方法で濾過することを特徴とする請求項 １乃至１１のいずれか１項記載の濾過の方法。 14．何列にもかつ平行に整列させた多数のＭＦモジュールと、該ＭＦモジュー ルを洗浄する装置と、膜内外圧を記録する測定装置とを備えるマイクロ濾過装置 において、前記測定装置（３）を、事前設定膜内外圧に達することで濾過工程を 常に中断させ、また洗浄作業サイクルを推進させる制御装置（７）に取付けるこ とを特徴とするマイクロ濾過装置。 15．事前設定膜内外圧を入力する前記制御装置（７）を多数の濾過ユニットが 調整できるように構成して、濾過と洗浄作業を交番させることで連続濾過工程を 確実にすることを特徴とする請求項１４記載のマイクロ濾過装置。 16．前記ＭＦモジュール（５）が０．２乃至５μｍの気孔の大きさをもつ膜を 示すことを特徴とする請求項１４あるいは１５記載のマイクロ濾過装置。 17．前記ＭＦモジュール（５）が高分子膜、高分子フリースもしくは金属フリ ースを示すことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項記載のマイクロ 濾過装置。 18．前記ＭＦモジュール（５）が平面、中空繊維、細管、管状もしくは螺旋巻 きモジュールであることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項記載の マイクロ濾過装置。