JPS6054710A - 流体分離器 - 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】 （ハ）技術分野 本発明は限外濾過、逆浸透、ミクロ濾過、透析。

気体分離、気体濾過等に用いられる中空繊維状膜を利用
した流体用分離器に関する。更に詳しくは、中空繊維状
膜の中空部に、側壁に単数または複数の貫通孔を持つ細
管を挿入した構造を有する流体用分離器に関する。

（ロ）用語の定義 本発明において、「中空繊維状膜」とは膜の形状が直径
１ｚ以下の管状（）悩ゾ状）のものを指す。従って、中
空繊維状膜には、いわゆる「中空繊維」と呼ばれる膜か
ら「チューブ状膜」と呼ばれる中空繊維よシも中空部直
径の大きな膜、さらには、平面状膜を接着、熱圧着等の
手段で筒状にした膜なども含まれる。

本発明において「細管」とは中空繊維状膜の中空部に挿
入させゐことができる外径を持つ円筒状の成形物のこと
で、その形態は管（パイプ）のみに限定されるものでは
ない。すなわち、理解を容易ならしめるため添附第１図
について説明すると、第１図イ）２口）、ハ）および二
）に示すものが本発明で用いる細管の代表例である。第
１図イ）に示す細管は、細管側壁３全体の内部が中空部
１となっておシ、その両端７が開口している開管（パイ
プ）である。同図口）およびハ）に示す細管は、細管側
壁の一部３の内部は中空部１となっているが、側壁の他
の一部４の内部は閉塞部２となっている。同図二）に示
す細管はイ）の細管に類似しているが、その一端７のみ
が開口しておシ、他端部分の側壁６の内部は閉塞して閉
塞端５を構成している。

「中空繊維状膜よシ剛直である」とは、細管を構成する
構造体のヤング率が中空繊維状膜のヤング率よシ大きい
ことを意味しておシ、通常、細管のヤング率は１０９ｄ
ｙｎ／ｃ１ｎ２以上が望ましく、１０１０ｄｙｎ／６ｎ
”であればさらに好ましい。細管のヤング率が膜のそれ
よシも太きければ、細管と膜を構成する素材は同一でも
よい。

（ハ）従来技術 中空繊維状膜は血液透析用膜、限外ｐ適用膜。

逆浸透用膜、気体分離用膜として医療・医薬品工業２食
品工業、電子工業などで幅広く利用されている。その孔
径範囲は数十又から数十μｊｎｉで目的に応じて各種の
膜が生産されている。

中空繊維状膜を用いた分離装置は、平面状膜を用いたも
のと比較して同一膜面積を持つ分離装置であれば、よシ
小型で充てん容量を少なくすることができ、さらに、モ
ジュールとして組み立てられているので取シ扱い易く、
また、濾過方法として流体を流しながら濾過するいわゆ
る平行渥過が効率的に実行できるなどの利点がある。こ
れらの利点は、一般に分離流体の体積が大きくなる程、
生かされてくる傾向におる。

膜分離技術の急速な進歩に伴ない、優れた特性の膜が開
発され、さらに分離対象の範囲が拡大されるなかで、各
々の分離操作に最も適した膜と最も適した分離容量を持
つ分離装置が必要とされている。従来の中空繊維状膜用
モジュールは、一定本数の中空繊維状膜の両端を接着剤
等に埋め込み、プラスチックあるいは金属性の管中に固
定した型であって、分離すべき流体の容積に応じて膜面
積を自由に選択することは難しい。特に、分離すべき流
体の体積が数十μｔから数μｔの範囲になると有効膜面
積や分離器の充てん容量を非常に小さくする必要性が高
まるが、従来の装置では対応が困難である。

従来の中空糸状膜モジュールにおいて埋め込む膜の本数
を適当に増減すれば有効膜面積を連続的に変えた一連の
分離モジュールを組み立てることはできるが、繁雑でコ
スト高となシ工業的には実用性に乏しい。さらに、有効
膜面積が／トさくなれば、流過流体の量は微量にせざる
を得ない。しかし、従来のモジュールのようにプラスチ
ックあるいは金属性の筒中に中空繊維状膜を固定したも
のでは、濾過流体の充てん容量が大きいため、少量の濾
過流体を効率良く捕集することができない。

他方、平面状膜を用いた分離器においては、膜面積の異
なる何種類かの膜装着器を用意せねばならず、実用的で
ないばかシか、１ｏｏμを以下の微量流体を分離するの
には適さない。さらに、平面状膜による濾過は一般に垂
直濾過方式であって平行濾過にくらべて目づまシが顕著
である。

に）発明の目的 本発明の目的は、上述のような現状を考慮して、μｔオ
ーダーの極微量からｋＡオーダーの大容量のいかなる体
積の分離流体に対しても目的に応じて最適の膜面積と充
てん容量を具備せしめることができる、中空繊維状膜を
用いた流体用分離器を提供する。

（ホ）発明の構成 本発明に係る流体用分離器は、中空繊維状膜の中空部内
部に該中空繊維状膜よシ剛直な細管が挿入配置され、該
細管が該中空繊維状膜の少くとも一端において該中空繊
維状膜から外へ突出した状態で該細管と該中空繊維状膜
とが接合されてなることを特徴とする。

（へ）発明の実施態様および効果 本発明の第１の特徴は、中空繊維状膜の中空部内部に挿
入した細管が（１）膜支持体と（２）分離液導入路とし
て機能することである。細管は上記（１）の目的を満た
すために膜よシも剛直でなくてはならず、また、酸・ア
ルカリその他の腐食性物質に耐え得る素材であることが
望ましい。細管の両端が中空繊維状膜開口端よシ外方に
突出している場合、上記（２）の目的を達成するために
細管中空部側壁には単数または、複数個の貫通孔が存在
することが望ましい。この貫通孔は一般には中空繊維状
膜側壁のもつ孔よシも孔径が大きいことが好ましい。従
って、細管を前処理フィルターとして機能させることも
可能である。細管の持つ孔の数は細管が膜支持体として
機能できる限シ多い方が望ましい。

第２図は、中空繊維状膜８の一端を接着剤１４′で接合
し、他端よシ細管９を挿入し、接着剤１４で細管と膜８
の端を接合した本発明による流体分離器の１例である。

供給流体（すなわち、流過されるべき流体）１５は細管
の一端から矢印の方向に流れ、Ｐ膜の側壁を通過して濾
過流体１６が得られる。

第３図は本発明に遇る分離器の他の一例を示す断面図で
ある。細管９の中空部側壁に２ケの貫通孔１３　、１３
’を持つ細管（この細管の拡大斜視図を第４図に示す）
が中空繊維状膜８の中空部に挿入され、細管側壁上の貫
通孔１３．１３’が中空繊維状膜８の中空部内に留まる
状態で中空繊維状膜８の両端において細管９ど膜８とが
接合された構造を持つ。細管９の一方の開口１）ｓ７か
ら導入され垂直濾過を行う場合、細管開口９８７′をシ
リコンゴム等でシールし、もう一方の細管開口端７よシ
供給流体１５を７→１→１３　（１３’）→１０の流路
で流し流過流体１６を得ることができる。

第５図に、側壁に８ケの貫通孔１３を持つ細管を用いた
分離器の例を示す。細管の一端があらかじめ閉じている
構造の閉管（例えば、第１図二）に示す）を用いて同様
の構造のものを構成することができる（第６図参照）。

閉管を用いたものは分離能の点では何ら開管な用い次も
のと差異はないが）膜の内側の洗浄や細管中空部１およ
び細管と中空繊維状膜との中間に留まっている残留供給
流体の回収作業については、開管な用いた方が容易であ
る。膜の洗浄は、細管の両端７，７′とも開いた状態で
７ちるいは７′から清浄な水おるいは洗浄液あるいは気
体を流すことで可能になる。また、残留供給流体の回収
は、同様に７，７′とも開いた状態でどちらかの開口よ
）気体等を圧入するなどの方法で達成できる。

細管の側壁貫通孔１３　、１３’の位置は第３，５およ
び６図に示した位置に限られるものではなく、接着部１
４　、１４’にはさまれた細管中空部側壁上の任意の位
置に設けることができ、また、貫通孔の数は、細管が膜
支持体として機能できる範囲で自由に選定でき、側壁上
の貫通孔の孔径は膜の孔径よりも大きい範囲が好ましい
。

第７図は、管の片側に閉塞部分２をもつ片閉塞管を細管
として用いた分離器の例である。供給流体１５は７→１
→１３→１０の経路で中空繊維状膜８の内側に達する。

片閉塞管を用いると、流体分離器内の充てん容量を小さ
くすることができるので、極微量の流体を分離する場合
には、特に有効である。

第８図は、管の中部に閉塞部分をもつ閉塞管を細管とし
て用いた分離器の例である。供給流体１５は７→１→１
３→１０→１３′→１′→７′と通る間に一部は濾過流
体１６として膜８を透過する。

このように供給流体を膜に対して平行に流すｐ過方式を
平行濾過と呼ぶが、閉塞管を細管として用いる最大の利
点は、この平行濾過を効率良く行うことができる点であ
る。第５図に示したような閉管を用いた場合でも、閉塞
管を用いた場合はど効率的ではないが、孔径が大きく、
濾過速度が太きければ平行濾過となる。当然のことなが
ら、閉塞管を用いた場合でも、７′をシリコンゴム２８
等で閉じれば、垂直流過を行うことができる。

細管の形状は直線状に限らない。例えば、螺旋状または
渦巻き状にすればよシ小さな空間に大きな膜面積を確保
することができる。非直線状細管のもう一つの利点は、
例えば、第９図に示すように細管をある角度を持って折
シ曲げれば、膜８を透過した濾過流体１６は膜８の外側
を変曲点１７に向って流れ１濾過流体の捕集を容易にす
ることができる。第１０図に示す↓うに曲線的に曲げて
も同様である。第９図および第１Ｏ図には、開管の場合
を示したが、これは閉塞管、閉管２片閉塞管であっても
同様であシ、特に閉塞管を用いた平行濾過の場合、細管
に変曲点を持つことは濾過流体の捕集を容易にする。

細管の開口端に注射器筒への接続部品を接続させると、
供給流体を注射器によシ容易に供給できる。第１１図は
、ｆ！ｌｌ壁部に２個の貫通孔をもつ開管の一端に接続
部品２０を設け、これを注射器１８に接続し、もう一方
の開管の開口端をシリコンゴム２８で閉じた例である。

この他、閉管、閉塞管１片閉塞管を用いｆｃ場合も同様
である。

第１１図のように一方の開口端が閉じられた状態で、中
空繊維状膜を垂直に立てて渥過しｆｃ、場合、供給流体
中に浮遊する粒子などは膜上に付着・堆積しに＜＜、膜
上よシはかれ落ちて中空繊維状膜中空部１０′の下部に
集積される。従って、膜の目づｔｂによる濾過速度の低
下が防止でき、かつ、堆積物の濾過後の回収が容易でお
る。堆積物を回収するには、例えは、接着部１４′のす
ぐ上部の膜を切シ開いて、水などで洗い流すか、または
、堆積物の集積している部分の膜を切除するなどの方法
を採ればよい。

膜への堆積物の付着を防ぐ効果的な手段として、膜への
負荷圧を周期的に増減する方法がある。例えば、第１１
図において、ピストン１９を上げ下げすればよい。ピス
トン１９の上下動によシ、膜面が振動するとともに、供
給流体が繰シ返し膜面を洗うので平行濾過となル、堆積
物の膜面への付着を防止することができる。

第１２図は、注射器に接続した開管な用いた分離器の、
注射器に接続されてない開管開口端から注射器によル試
験管等の容器２３の中の供給流体１５′を中空繊維状膜
中空部ｌＯや注射器筒１８内に吸い上げる方法を示す。

供給流体１５′が大量の場合には、必ずしもこのような
吸い上げは必要でなく、注射器筒１８の口から直接吸い
上げｆｃシ、または別の注射針を接続して吸い上げるこ
とができる。しかし、供給流体が極微量例えば、数十μ
を以下の場合には第１２図のような吸い上げ方式が適し
ている。

閉塞管を用いた場合、細管の両開口端に接続部品２０　
、２０’を接続し、第１３図の様に２本の注射器を接続
すると、連続的に平行濾過を行うことができる。すなわ
ち、ピストン１９を押し下げると、供給流体１５は中空
繊維状膜８の中空部１０を通過しながら注射器筒１８′
に流れ込む＠次いで、ピストン１９′を押し下けること
で再び注射器筒１８に供給液１５が流れ込む。このよう
に繰シ返すことで供給流体１５を連続的に平行濾過する
ことができる。

供給流体がポンプや回路チューブを満たすに充分なほど
大量に存在するときには、平行濾過を行う手段としては
、通常行なわれている様に回路内にポンプを入れた閉回
路を構成して供給液を循環する方法も採用可能であるが
、供給流体が例えば１Ｑｍｌ以下というような少量の場
合には、第１３図に示すような分離器にょシ、供給液の
損失を最少限にして平行流過を行うことが有利である。

本発明の分離器は、１本の中空繊維状膜の中空部に膜支
持体と供給流体導入路を兼ねた細管が挿入されているの
で、１本の中空繊維状膜を１つの分離器として独立させ
て使用できる。従って、中空繊維状膜の中空部直径や長
さを変えることで任意の有効膜面積を１本の中空繊維状
膜に持たせることができる。

中空繊維状膜の中空部内径および長さと有効膜面積およ
び充てん容量との関係を示すと表１のとおシである。

以下余白 表１ 表１に示すように、例えに中空部内径が０．２　ｃｍの
中空繊維を１５ｃｒｎ用いると有効膜面積約９．５　ｃ
ｍ２（これは直径４７ｍの平面状膜を用いた分離器の平
均的な有効膜面積と等しい）、細管の体積を無視した充
てん容量が５００μｔの分離器を構成することができる
。内径が０．０３ｃｎ１（３００μｍ）の場合には、長
さＬＯｃｍで有効膜面積１　ｍ”、充てん容量７μｔ１
長さを１．ｃｍとすれば、実に充てん容量１μを以下の
分離器が構成できる。

本発明における１本の流体用分離器を複数本並列にある
いは直列に連結することで、容易に膜面積の大きな分離
器として構成することができる。

第１４図に示すように、供給流体１５がシリコノコ９ム
などのチューブ２４の中を流れているとき、細管９の両
端をチューブ２４に突き通し、平行濾過を行うための分
離器を構成することができる。

この際、中空繊維状膜の本数を任意に選定することによ
って膜面積の増減が可能である。分離器への供給流体の
流入量はピンチコック２６の開閉によシ調節できる。

ラットやウサギを使用しての血液体外循環実験（例えば
人工透析、血漿交換など）では、使用する動物の血液流
量に合わせて分離器を準備する必要があるが、本発明に
よシ迅速に、かつ、正確に有効膜面積の増減ができる。

従来の中空繊維膜分離モジュールでは、多数の中空繊維
の中に１本でもピンホールをもつものがあれば・モジュ
ール全体を交換する必要があったが、本発明における分
離器では、たとえ使用中にピンホール等が生じても、不
良となった１本のみを交換することができ、実験２作業
等の大幅な中断を回避でき、かつ、膜の無駄もない。

第１５図は、供給流体１５がガラスおるいは金属などの
チューブ２２中を流れている場合の分離器の接続の方法
を示す。シリコンなどのゴム栓２１．２１’でチューブ
２２，２２’を閉じ、細管９を突き通して接続する。

第１６図および第１７図は、それぞれシリコンなどのチ
ューブ２４とガラス、金属などのチューブ２２を供給流
体１５の流路に用いたときに垂直濾過を行う接続方法を
示す。

本発明に係る分離器は、中空繊維状膜の中空部内に供給
流体を流し、膜の外へ流過流体を取シ出す済過方式の他
に、中空繊維状膜外部に供給流体を流し中空繊維状膜内
部に透過流体を取シ出す方式においても採用可能である
。従来の中空繊維膜は１本、１本の膜に支持体がないの
で、中空繊維外部から内部へ向っての加圧または中空繊
維内部からの吸引の際には中空部の変形によシ透過効率
の低下、透過流体の捕集不能などが起シやすかったＯ 第１８図に、細管中空部側壁に１４個の貫通孔を持つ閉
管な用いた分離器での吸引濾過方式の例を示す。細管は
注射器筒１８に接続されておシ、膜８が供給流体１５中
に完全に没入した状態でピストン１９を押し上げて濾過
流体塾６を１０→１３→１の順路で注射器筒１８内に導
くことができる。吸引によシ細管中空部側壁３ど膜８は
？触するようになるので、細管中空部側壁３の表面にヤ
スリをかけて溝をつけたシ、あるいは腐食剤で表面を一
部溶解し凸凹を形成するなどの手段を用い、濾過流体１
６の流路を確保すると濾過効率は高くなる。

本流体分離器は少量の濾過流体で行なわれる試験（例え
ば、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー
、薄層クロマトグラフィー、各種血液検査、各穏酵素反
応など）での試料調製に適している。

【図面の簡単な説明】

第１図イ）２口）、ハ）および二）は、本発明の流体用
分離器に用いる細管の定義を説明するための説明図であ
シ、 第２図は、本発明の流体分離器の構造の一例を示す断面
図であシ、 第３図は、本発明の流体分離器の構造の他の一例を示す
断面図でおシ、 第４図は、第３図に示す２つの貫通孔をもつ細管の外観
を示す図でｓｂ、 第５図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であシ、 第６図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であシ、 第７図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図でｓｂ、 第８図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図でｓｂ、 第９図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図で必見 第１０図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一
例を示す断面図であシ、 第１１図および第１２図は、本発明の流体分離器の構造
のさらに他の一例およびその利用形態の例を示す断面図
であシ、 第１３図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一
例およびその利用形態の一例を示す断面図であシ、 第１４図は、本発明の流体分離器の利用形態の他の一例
を示す説明図であシ、 第１５図は、本発明の流体分離器の利用形態のさらに他
の一例を示す説明図であシ、 第１６図は、本発明の流体分離器の利用形態のさらに他
の一例を示す説明図であシ、 第１７図は、本発明の流体分離器の利用形態のさらに他
の一例な′示す説明図であシ、第１８図は、本発明の流
体分離器の利用形態のさらに他の一例を示す説明図であ
る。 １：細管中空部、２：細管閉塞部、３：細管中空部側壁
、４：細管閉基部側壁、５：細管閉端部、６：細管閉端
部側壁、７：細管開口部、８：中空繊維状膜、９：細管
、１３．１３’：＠壁貫通孔、１４．１４’：接着部、
１５：供給流体、１６：濾過流体、１７：変曲点、１８
：注射器筒、１９：ピストン、２０：接続部品、２１．
２１’：ゴム栓、２２．２２’：チューブ（例えばガラ
ス管）、２３’　Ｗｍ、２４　：チューブ（例えばシリ
コンゴム管入２６：ピンチコツク、２７ニシリコンゴム
栓、２８：シリコンゴム。 第１図 第３図　− １ら 第５図 第７図 第９図 第１０図 第１１図　第１２図 第１３図 シ ク 第１４図 ’ｌ’ｌ）　１４ 各１５図　第１６図 第１７図 第１８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　中空繊維状膜の中空部内部に該中空繊維状膜よシ剛
   直な細管が挿入配置され、該細管が該中空繊維状膜の少
   くとも一端において該中空繊維状膜から外へ突出した状
   態で該細管と該中空繊維状膜とが接合されてなることを
   特徴とする流体用分離器。 ２　中空繊維状膜よシも長い１本の細管が該中空繊維状
   膜の少なくとも一端において該中空繊維状膜から外へ突
   出した状態で該細管と該中空繊維状膜とが接合されてな
   る特許請求の範囲第１項記載の流体用分離器。 ３　中空繊維状膜の中空部内に位置する細管の側壁上に
   単数または複数の貫通孔が存在する特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の流体分離器。 ４　細管の両端が中空繊維状膜の両端よシ外へ突出した
   状態である特許請求の範囲第１項から第３項までのいず
   れかに記載の流体分離器。