JPS6118405A - 流体成分の拡散制御装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は流体相の成分の選択的な分離または混合に用い
る装置に関する。本発明は流体成分のそうした分離また
は混合の連続的処理に用いるのに特に適している。制御
は流体またはその成分を以下に詳しく説明する特定のタ
イプの多孔質セラミック体を通して拡散させることによ
って達成される。

〔従来の技術とその問題点〕

多くのタイプの連続化学処理およびその他の工学的操作
において流体の流れの成分を分離する必要性は非常に普
通の事項である。最も普通の手法の１つは分離すべき流
れの異種成分について実質的に異なる透過特性を有する
重合体材料からなる半透膜を用いることである。透過性
の相違は半透　・膜の成分と流体の成分の間の物理的ま
たは化学的な相互作用に基づくことができる。最も普通
には、それは半透膜中の細孔の存在に単純に基づくもの
であ）、その細孔が流体の比較的小さい分子または粒子
を有する１成分の通過を許容するがより大きい分子また
は粒子を有する別の成分を有効に阻止する。

実際に、商業的に重要な大部分の分離はむしろ径が小さ
い細孔を有する膜を要求する。細孔径が小さいと、それ
に対応して、そこを通過する最も速い成分でも拡散速度
は遅い。流体の圧力を増加すれば拡散速度を増加し得る
が、そのためには膜の圧縮、変形、破壊を防止するため
に膜が圧力に耐える機械的強度を有する必要がある。こ
うした膜の機械的強度は、通常、膜の厚みを増せば得ら
れるが、それは拡散速度を低減するので、少なくとも部
分的に自滅的である。

高圧の使用はある種の流体、＃に、生物学的流体、例え
ば血液では実際的ではない。圧力は細胞組織を損傷する
ことがある。生物学的流体でなくても、多くの普通のラ
テックスＩリマーのようなコロイド懸濁液でも、加圧に
よって類似の損傷を被ることがある。

過去に、流体成分の分離、主として、流体中の微細固体
成分を除去する炉遇処理に多孔質セラミックスが用いら
れたことがある。セラミックフィルターは、破壊され易
いこと、ならびに厳密に制御された細孔径を有するセラ
ミック薄膜を作成することが困難であるために、通常、
重合体膜よりも厚く作成されなければならない。従って
、セラミックフィルターは重合体膜よりさらに遅い分離
速度を有する。そのために分離装置にセラミックスを実
際に用いるＫは限界があった。最近までに、１９８１年
３月３０日出願の仏国特許出願第８１−０６３４０号に
説明されているように層状セラミックプイルター構造が
開示された。

制御された速度で流体中に成分を混合する手段も同様に
産業上および医学上の処理に有用であるが、それらは連
続分離手段はどには屡々使用されない。

〔発明の概要〕

特定のセラミック粉末を焼結して細孔径が非常に均一で
あシかつ機械的強度が高いセラミック体を提供すること
くよって、流体成分の拡散を制御する優れたセラミック
体を製造し得ることを見い出した。好ましくは、少なく
とも２種類の粒径の粉末を用いることＫよって、比較的
細かい細孔を有する薄い層とより粗い細孔を有する少な
くとも１層のより厚い層とを結合した多層構造を形成す
る。厚い層は機械的強度を提供し、一方、薄い層は適当
な速度の操作を伴なう選択性を提供する。

本発明のセラミック体は、ミクロ分子７ラクシヨネーシ
ヨンの液体および気体から粒状物を除去するために最も
普通に用いられる慣用の平坦なシート、単一の管あるい
は中空の繊維と異なる構造にした場合に最も有効に利用
され得る。本発明ににより開示される製品は二股に長い
円筒状をした単一の分離要素中にここに開示するタイプ
の２層の壁を有する複数の円筒状スペースを有する。こ
の分離要素の１端または両端のマニホールドまたは類似
の装置が入口および出口の流体の導入および回収をそれ
ぞれ行なう。

〔好ましい態様の説明〕

本発明の装置は実質的に均一な細孔径、良好な機械的強
度、耐腐蝕性を有する焼結セラミック材料で構成される
ことが好ましい。広範囲の公知のセラミック粉末、例え
ば、アルミニウム、珪素、ジルコニウム、チタン、クロ
ムもしくはマグネシウムの酸化物；珪素、チタンもしく
はタングステンの炭化物；またはコージェライト、ムラ
イト等のような天然鉱物はこの装置を構成するのに適当
である。これらの混合物も同様に使用できる。

異なる多孔度を有する多層セラミックスからな１１月９
日出願の米国特許出願第０６１５５０，７４６号に記載
されておシ、その内容はとこに参照する。

拡散制御要素が厚みが大きいほどその要素を通る透過速
度は遅くなるであろう。従って、厚みは適当な強度と耐
久性を満たす範囲内でできるだけ小さく保つことが経済
的に望ましい。拓散制御要素の壁全体が均一な孔径の細
孔を有するならば壁の厚さは少なくとも１μｍ必要であ
シ、アルミナが好ましいセラミックである。

本発明の操作は図面を参照すれば更に理解される。第１
図および第２図は全体を参照数字２０で示す流体成分の
連続分離に適した本発明の現在のところ好ましい態様を
示す。複数の流路２４が要素２０の長手方向を貫通して
延びている。各々の流路２４は細かい細孔径のセラミッ
ク薄層２８による壁を有し、その周りはよυ粗い細孔径
のセラミック層２６で包囲されている。要素の長手方向
をより大きい中央流路２２が貫通して延在する。

第２図の場合、微細な細孔層・と粗な細孔層２６からな
る２層構造である。この特別の態様において、中央円筒
状スペース２２は微細な細孔層で内張シしない。これは
分離手段としてよりも透過液回収用に用いるからである
。との層は必要であれば装置の全表面に存在することが
できる。

態様２０の寸法はかなりの程度変化し得ることが認めら
れよう。層２８および層２６の多孔度は焼結に適当なセ
ラミック粉末を用いて主として約０．０１μｍ〜２０μ
ｍ以上の範囲内の細孔を有するようにそれぞれ別に制御
することが可能である。

典型的には、細孔の体積はこれらの層の全体積の３５〜
５５チであシ、一般的に細孔の少なくとも９５チが連通
して曲りくねった流路を形成している。大部分の応用で
は、現在のところ、装置２０は直径約２ｍ〜２０＋ｍ、
中央流路２２は直径約０．５〜１０ｗｎ、周辺流路２４
は直径約０．２〜５　ｔｒｔｓ（２笥を越えないことが
最も好ましい）を有することが好ましい。層２８は通常
１〜１５μｍの厚みを有するであろう。細孔間のスペー
スは０．１〜２籠であるように制御されるべきである。

セラミック焼結技術によって定まる限界の範囲内のすべ
ての便宜の長さを用いることができ、現在の経験では１
ｍが大略の上限である。

通常の実施では、要素２０は第３図および第４図に示す
他の器具と共に用いる。要素２０を包囲する流体不透過
性ハウジング２０と共に末端蓋３４ａ　、３４ｂ：Ｔｈ
よび弾性接続部材３８が分離すべき流体の散逸を防ぐ。

有利には、必要に応じて用いるマニホールド４０ａを介
して複数の流路２４に流体を導入する。マニホールド４
０＆は対応する複数の供給管４２ａを有し、それが末端
蓋３４＆の各開口部４４を貫通して、次に弾性接続部材
３８の夫々の末端に挿入されている。開口部４４にはＯ
リング４６を設けて流体濡出に対してシールすることが
有利である。マニホールド４０ａにコネクタ４８ａを取
り付けてマニホールドを図示されていない流体供給源に
接続する。末端蓋３４はセラミック要素２０から僅かに
離して置き、セラミック要素２０はスペーサ３６を用い
てハウジング３２内の適当な位置に配置する。コネクタ
５０ａ、５０ｂは、セラミック要素２０の中央流路２２
、およびセラミック要素２０とハウジング３２の間のス
ペース５２を含む接続スペースに接近する。　　　　　
　− 要素２０と共に用いる補助的構成物は、全部、輸送すべ
き流体に関して化学的に不活性である流体不透過性材料
で構成すべきである。

第１〜４図に示した本発明の態様はいろいろな途に用い
ることができる。最も簡単なものの１つは、流体Ｆから
成分Ａを分離する方法であシ、この場合成分Ａは微細孔
セラミックス中を流体Ｆの他のすべての成分より迅速に
拡散する。流体Ｆはコネクタ４８１を介してマニホール
ド４０ａそしてそれからセラミック要素２０の流路２４
に導入することができる。コネクタ５０ａはシールされ
るだろう。コネクタ５０ｂを介して真空を維持するか、
あるいは流体Ｆを大気圧よ多大きい圧力でコネクタ４８
ｍに導入する。いずれの場合にも、流体Ｆは装置を通過
することによって成分Ａが減少（個渇）した流れＦｄと
成分Ａが増加した流れＦｅに分離する。

流れＦｄはコネクタ４８ｂを介して、そして流れＦｅは
コネクタ５０ｂを介して取シ出すことができる。

態様３０を用いるさらに複雑な処理は当業者には容易に
考えることができる。例えば、第２流体Ｇをコネクタ５
０ｂＫ導入し、流体Ｆを前のようにコネクタ４Ｓａに導
入することができる。流体は要素中番向流的に流れるの
で、成分Ａｕ流流体空中拡散する。従って、出口流れは
Ｆｄ（Ｆの変化は前のように成分Ａの減少（個渇）であ
る）とＧｅ（Ｇの変化は成分Ａの増加である）からなシ
、コネクタ５０１Ｌから取り出すことができる。

態様３０を流体成分の向流交換に用いる特に実際的な例
は血液の人工酸素飽和であシ、その方法はある種の医学
処理の重要碌部分として知られている。この目的のため
に、酸素をコネクタ４８Ｌから導入し、二酸化炭素分圧
が高いが酸素を殆んど含んでいない血液をコネクタ５０
ｂから導入する。この処理は血液と酸素の流体の流れの
間の圧力差は僅かであるか実質的にゼロでも達成される
。

というのは複合構造２８／２６の両側の酸素と二酸化炭
素の分圧の差が交換を起とすのに充分な駆動力を提供す
るからである。

このような態様３０の実温的な使用例は組織培養、細胞
増殖、細胞採取、細胞分画および細胞再循環等であシ、
栄養素が微細孔層を通って拡散する。

第１〜４図に示したタイプの複数の態様を直列あるいは
並列に結合して、分離の精度を高めたシ、あるいは同じ
分離精度を保って流体の流れの量を増加することができ
ることは当業者如は容易に認められよう。また連続する
複数の態様において同じタイプまた同じ精度の分離を行
なう必要はない。

例えば、第１の態様３０で真空を用いて血液から二酸化
炭素を除去し、そのガスを抜いた血液に別のそうした態
様３０で酸素を導入することができる。このようにして
１、二酸化炭素と酸素の量を別々に制御するととが可能
である。このような別々の制御は単一の態様でこれら２
つのガスを向流させることによっては可能ではないであ
ろう。

２０の形の特別の態様の利点の１つは２つの流体の流れ
の間の接触表面積が大きいととである。

もう１つの利点は要素全体の形状が管状であるために壁
の厚みが比較的小さい場合にも良好な機械的強度を与え
ることである。

同様に本発明・の多くの異なる態様が可能である。

例えば、第５図は２つのグループの流路１２４゜１２５
をセラミック基材１２６．１２７のそれぞれの中に設け
た、全体を１２０で示した態様を示す。セラミック基材
１２６．１２７と区別され別の領域１２Ｂが２つのグル
ープの流路を分離する。

領域１２６，１２７，１２８の孔径は全部独立に変える
ことができ、２つのグループの流路の径と中央流路１２
２の径も同様に変えることができる。

１２０の形の態様には３種あるいはそれ以上の異なる流
体の流れを導入することができる。第６図。

はどちらも円筒形でも軸状でもない２つの流路２２３．
２２４を有する態様２２０を示す。

態様２２０には態様２０に設ける独立のハウジングに代
えて非多孔性セラミック被覆層６０が設けられている。

第６図には示されていないが微細孔を有するセラミック
薄膜を流路２２２，２２３の壁の最も内側の部分に設け
ることができる。適当な流体コネクタを用いることによ
って、これら２つの流路の間の向流を実現することがで
き、また両方の流路に単一の流体を導入して態様２２０
の多孔質本体を通過した後に透過液を末端で回収するこ
ともできる。Ｍ７図および第８図にさらに別の変形を示
す。この装置は第１〜４図の態様２０によく似ているが
、中央流路３２２が周辺流路３２４の末端を越えて延在
している。このような形状は適当なガスケットを用いる
ことによって流路３２２中の流体を流路３２４中の流体
から分離するのに有益である。本発明の態様は流路中の
「デッドゾーン」の存在を最小限化するような螺旋流あ
るいはその他の流路を有するように構成することかでき
る。本発明が以上に述べたと異なる形で実施し得ること
が理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の範囲内の多孔質セラミック要素の現在
好ましい態様の一部の破断斜視図、第２図は第１図の線
分２−２で切った長手方向拡大断面図、 第３図は第１および２図に示したような分離要素と共に
ノ・クジフグならびに分離要素を連続処理流に接続する
ノ悩グ系を結合した装置の斜視図、 第４図は第３図の線分４−４に沿う第３図の装置の長手
方向断面図、 第５．６．８図は本発明のその他の態様の断面図、そし
て第７図は第８図に断面図で示した態様の斜視図である
。 ２０・・・分離要素、２２・・・中央流路、２４・・・
周辺流路、２６・・・粗孔セラミック層、２８・・・細
孔セラミック層、３０・・・装置、３２・・・ノ）ウジ
ングＮ　３４　ａ　ｚ３４ｂ・・・末端蓋、３８・・・
弾性接続部材、４０＆４０ｂ・・・マニホールド、４２
ａ　、４２ｂ・・・供給管、４４−・・開口部、４６　
・Ｏリング、４８ａ、４８ｂ。 ５０ｍ　、５０ｂ・・・コネクタ、５２・・・スペース
、１２０・・・要素、１２２・・・中央流路、１２４　
、１２５・・・流路、１２６．１２７・・・セラミック
基材層、１２８・・・セラミック領域、２２０・・・要
素、２２２゜２２３・・・流路、６０・・・非多孔質セ
ラミック被覆層、３２０・・・要素、３２２・・・中央
流路、３２４・・・周辺流路、３２９・・・突出部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）内部を通る少なくとも１個の第１中空流路を
   有する多孔質セラミック体と、 （ｂ）少なくとも２種の異種化学成分を有する少なくと
   も１つの第１流体を上記中空流路に連続的に導きかつ該
   第１流体の少なくとも一部を上記多孔質セラミック体の
   細孔を通して連続的に流す手段と、 （ｃ）上記多孔質セラミック体の細孔を通る流体の流れ
   全部と交差して延在し、かつ充分に小寸法の孔径の細孔
   を有するので上記第１流体の１成分がその帯域を少なく
   とも他の１成分より実質的に迅速に拡散する、上記多孔
   質セラミック体中の少なくとも１つの第１帯域、および
   、 （ｄ）（ｉ）上記第１流体の上記多孔質セラミック体の
   細孔を通って流れる部分と、（ｉｉ）該第１流体の上記
   多孔質セラミック体を通る上記中空流路を通って流れる
   部分とを別々に回収する手段を具備して成る、選ばれた
   流体成分の拡散制御装置。 ２、前記多孔質セラミック体中に、前記第１流体の該多
   孔質セラミック体の細孔を通って流れる前記部分の少な
   くとも１部の流体を受け入れるように位置する少なくと
   も１つの第２中空流路を有する特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ３、複数の前記第１中空流路を前記第２中空流路の周辺
   に配置して有する特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４、前記中空流路および前記多孔質セラミック体の形状
   が実質的に円筒形である特許請求の範囲第３項記載の装
   置。 ５、１つの流体の選ばれた成分の他の流体への拡散を制
   御する装置であって、 （ａ）少なくとも１つの第１中空流路と１つの第２中空
   流路を有する多孔質セラミック体であって、該第１およ
   び第２中空流路が夫々該多孔質セラミック体を貫通し、
   かつ該第１および第２中空流路間を該多孔質セラミック
   体の細孔を通って流体が流れる連続的曲路を有する多孔
   質セラミック体と、（ｂ）上記第１中空流路の１端に少
   なくとも２種の異種化学成分を有する第１流体を連続的
   に導入する手段と、 （ｃ）上記第２中空流路の１端に第２流体を連続的に導
   入する手段と、 （ｄ）上記第１および第２中空流路間の上記多孔質セラ
   ミック体の細孔を通る流体の流れの全部を横切って延在
   し、かつ充分に小寸法の孔径の細孔を有するので上記第
   １流体の１成分がその帯域を上記第１流体の他の少なく
   とも１成分より実質的に迅速に拡散する、上記多孔質セ
   ラミック体の少なくとも１つの第１帯域と、 （ｅ）上記第１中空流路の上記第１流体の導入端と反対
   の端から、該第１流体の最も迅速な拡散成分が該第１流
   体に関して減少した第３流体を回収する手段と、 （ｆ）上記第２中空流路の上記第２流体の導入端と反対
   の端から、上記第１流体の最も迅速な拡散成分が該第２
   流体に関して増加した第４成分を回収する手段 を具備して成る装置。 ６、複数の前記第１中空流路が単一の前記中空流路の周
   辺に配置されて成る特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７、複数の前記第１中空流路が複数の前記第２中空流路
   の周辺に配置されて成る特許請求の範囲第５項記載の装
   置。 ８、前記第１および第２中空流路および前記多孔質セラ
   ミック体の形状が実質的に円筒状である特許請求の範囲
   第７項記載の装置。 ９、前記第１および第２中空流路および前記多孔質セラ
   ミック体の形状が実質的に円筒状である特許請求の範囲
   第８項記載の装置。