KR20160102201A

KR20160102201A - 중공사막 모듈

Info

Publication number: KR20160102201A
Application number: KR1020167017105A
Authority: KR
Inventors: 히로시 마츠모토; 미키코 이케다; 아츠시 고바야시; 슌 시무라; ? 시무라; 노리히로 다케우치; 히로아키 가나이
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2016-08-29
Also published as: EP3088069A1; BR112016014950B1; CA2934996A1; WO2015098266A1; US20160317972A1; EP3088069B1; BR112016014950A2; CN105828917A; MY180600A; AU2014371714B2; CN105828917B; EP3088069A4; AU2014371714A1; JPWO2015098266A1; US20190262774A1; JP6418152B2; KR102261438B1

Abstract

중공사막 모듈(101)의 하우징(30)이, 해당 하우징(30)에 있어서의 노즐(8)을 설치한 부분에 대향하는 정류통(9)의 내경보다 작은 내경을 갖는 소경부(3B)를, 중공사막 모듈(101)의 축 방향에 있어서 정류통(9)의 하단부보다 하측에 설치하거나, 또는 정류통(9)이, 하우징(30)에 있어서의 노즐(8)을 설치한 부분에 대향하는 정류통(9)의 내경보다 작은 내경을 갖는 소경부(9G)를, 중공사막 모듈(101)의 축 방향에 있어서 정류 구멍(10)의 존재 범위보다 하측에 설치한다.

Description

중공사막 모듈 {HOLLOW-FIBER MEMBRANE MODULE}

본 발명은 수처리 분야, 발효 공업 분야, 의약품 제조 분야, 식품 공업 분야 등에서 사용하는 중공사막 모듈에 관한 것이다.

미생물이나 배양 세포의 배양을 수반하는 물질 생산 방법인 발효법은 발효 횟수마다 미생물이나 배양 세포 및 원료를 준비하는 회분 발효법과, 미생물이나 배양 세포에 대하여 원료를 순차 첨가하여 발효를 유지하는 연속 발효법으로 크게 구별할 수 있다.

연속 발효법에 있어서, 발효 배양액을 분리막에 의하여 여과하고, 여과액으로부터 화학품을 회수하는 것과 동시에, 미생물이나 배양 세포를 포함하는 농축된 발효 배양액을 환류시킴으로써, 발효 배양액 중의 미생물 농도나 배양 세포 농도를 높게 유지하는 방법이 제안되어 있다.

특히 분리막에 대해서는, 종래 사용된 평막보다, 막 면적을 효율적으로 증대 가능한 중공사막을 사용하는 방법이 채용되고 있으며, 통상 운전 시 및 일정 시간의 운전 후에 막을 세정하여 중공사막의 여과 성능을 회복시킴으로써, 보다 오래 효율적으로 발효 생산 효율을 높일 수 있다.

중공사막 모듈에서는, 다수 개의 중공사막을 집속하여 고정하기 때문에, 중공사막 다발의 양 단부를 수지로 고정하고 있다. 또한 중공사막 다발을 수용하는 하우징의 상방측면에는, 순환이나 세정액의 배출에 사용되는 상부 노즐이 설치되어 있다. 또한 중공사막 다발의 상부 둘레에는 환상의 정류통이 배치되는 경우도 있으며, 정류통의 측면 벽에는, 노즐에 연통하는 정류 구멍이 형성되어 있다.

종래, 중공사막 다발을 하우징에 밀하게 충전하여 하우징 용적당 유효 막 면적을 증대시키고자 하면, 하우징과 정류통 사이에서 구성되는 환상 유로가 좁아져, 농축액이나 세정액을 배출하는 경우에 높은 압력 손실이 발생하는 현상이 있었다. 이 경우, 여과 운전에 필요한 구동력이나 세정 시의 세정액 공급 압력을 상승시킬 필요가 생겨, 여과 운전 비용이 증대되는 문제가 발생한다.

이러한 하우징과 노즐과 중공사막의 위치에 관계된 문제의 해결로서, 예를 들어 특허문헌 1에 나타낸 바와 같이, 하우징의 내경이 정류통에 면한 부분에서 케이스의 중앙부에 근접할수록 작아지는 테이퍼를 갖는 것이 유효하다고 여겨지며, 또한 특허문헌 2에서는, 모듈 세정 후의 기액 혼합액의 배출을 효율적으로 행하기 위한 형상이 제안되어 있다.

일본 특허 공고 평7-79953호 공보 일본 특허 공개 제2010-234200호 공보 국제 공개 제2008/035593호

중공사막 다발은 중공사막 모듈을 제작하는 작업성이나 모듈 세정에 있어서의 중공사막의 세정성을 감안하여, 느슨함을 갖는 상태에서 양 단부의 수지를 개재하여 하우징 내에 장착되어 있다. 느슨함이 있다는 것은, 상방의 수지(11)의 하단부로부터 하방의 수지(12)의 상단부까지의 위치적인 직선 거리 L(도 21 참조)보다, 상방의 수지(11)의 하단부로부터 하방의 수지(12)의 상단부까지의 중공사막의 길이 쪽이 긴 상태를 가리킨다.

여과 전의 원액이 되는 발효 배양액이나 세정액은 정류통(9)에 형성된 정류 구멍(10)을 거쳐 정류통 주위의 환상 유로(35)로 유출되는데, 도 11, 도 12와 같이, 배출하고자 하는 여과액이나 세정액의 흐름에 중공사막(1)이 수반되어 정류 구멍(10)을 폐색시키기 쉽다는 현상이 발생하였다. 마찬가지로, 여과 운전 시에 있어서의 운전 구동력이나 세정액의 공급 압력이 증대되는 문제가 발생하였다. 또한 중공사막(1)이 수반되어 정류 구멍(10)을 폐색함으로써, 중공사막(1) 자신이 손상되는 문제도 발생하였다.

이 문제의 해결로서, 특허문헌 3과 같이 정류통 내벽면에 홈을 형성함으로써 중공사막이 정류통을 폐색하는 것을 방지할 수 있었다. 단, 발효 배양액이나 세정액을 고(高)유량으로 흐르게 하는 등 가혹한 조건에서 사용하면, 중공사막 다발의 외연부에 있는 중공사막이 정류통측 주면(周面)에 형성된 홈에 접촉함으로써, 중공사막이 깎여 손상될 가능성이 우려된다.

또한 여과 전의 원액이 되는 발효 배양액이나 세정액의 흐름에 중공사막 다발(2)이 수반되어 부상하여, 중공사막(1)의 느슨함을 조장함으로써, 중공사막(1)이 정류 구멍(10)을 폐색시킬 위험성이 높아질 우려도 있다.

본 발명은 중공사막 모듈에 고유량의 여과 전의 원액을 송액, 순환시키는 경우나 막 세정액 등 중공사막 모듈로부터 배출, 순환시키는 경우, 구멍에 대한 중공사막 부착에 의한 압력 손실의 증대를 방지함과 함께, 중공사막의 손상을 방지하는 중공사막 모듈을 제공하는 것을 과제로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 이하의 (1) 내지 (10)의 기술을 제공한다.

(1) 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막 다발과, 상기 중공사막 다발의 적어도 제1 단부가 개구된 상태에서 상기 중공사막 다발이 집속 고정된 제1 집속 고정부와, 상기 제1 단부 가까이의 측면에 적어도 1개의 노즐을 갖고, 상기 중공사막 다발을 수용하는 하우징과, 복수의 정류 구멍을 갖고, 상기 제1 집속 고정부와 상기 하우징 사이에 개재되어, 상기 제1 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 액밀(液密)하게 고정하는 정류통을 구비한 중공사막 모듈이며, (ⅰ) 상기 하우징이, 해당 하우징에 있어서의 상기 노즐을 설치한 부분에 대향하는 상기 정류통의 내경보다 작은 내경을 갖는 소경부를, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서 상기 정류통의 하단부보다 하측에 설치하는 것, 또는 (ⅱ) 상기 정류통이, 상기 하우징에 있어서의 상기 노즐을 설치한 부분에 대향하는 상기 정류통의 내경보다 작은 내경을 갖는 소경부를, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서 상기 정류 구멍보다 하측에 설치하는 것인 중공사막 모듈.

(2) 상기 제1 집속 고정부와 상기 정류통 사이를 제1 시일재에 의하여 액밀하게 고정하는, (1)에 기재된 중공사막 모듈.

(3) 상기 하우징과 상기 정류통 사이를 제2 시일재에 의하여 액밀하게 고정하는, (1) 또는 (2)에 기재된 중공사막 모듈.

(4) 상기 제1 집속 고정부와 상기 정류통, 상기 하우징과 상기 정류통 사이를 접착 고정에 의하여 액밀하게 고정하는, (1)에 기재된 중공사막 모듈.

(5) 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서의 상기 제1 집속 고정부의 하단부의 최외경과, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서의 상기 제1 집속 고정부의 하단부에서의 상기 중공사막의 적어도 상기 제1 단부가 존재하는 중공사막 존재 영역의 최외경이 이하의 식을 만족시키는, (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 중공사막 모듈.

Df<Du

단,

Df: 상기 제1 집속 고정부의 하단부에서의 상기 중공사막 존재 영역의 최외경

Du: 상기 제1 집속 고정부의 하단부의 최외경

(6) 상기 하우징 또는 상기 정류통에 설치되는 상기 소경부가, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서 상방에 해당하는 측면으로부터 테이퍼형으로 직경 축소되어 이루어지는, (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 중공사막 모듈.

(7) 상기 중공사막의 제2 단부를 밀봉한 상태에서 집속하는 제2 집속 고정부와, 상기 제1 집속 고정부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 고정부와, 상기 제1 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 액밀하게 밀봉하는 시일부와, 상기 제2 집속 고정부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게, 또한 상기 제2 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 통액 가능하게 유지하는 유지부를 더 구비하는, (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 중공사막 모듈.

(8) 상기 중공사막의 제2 단부를 밀봉한 상태에서 집속하는 제2 집속 고정부와, 정류통을 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 제1 고정부와, 상기 정류통과 상기 하우징 사이를 액밀하게 밀봉하는 제1 시일부와, 상기 제1 집속 고정부를 정류통에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 제2 고정부와, 상기 제1 집속 고정부와 상기 정류통 사이를 액밀하게 밀봉하는 제2 시일부와, 상기 제2 집속 고정부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게, 또한 상기 제2 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 통액 가능하게 유지하는 유지부를 더 구비하는, (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 중공사막 모듈.

(9) 상기 제1 단부가 존재하는 중공사막 존재 영역의 최외경과 상기 정류통 내면의 간격 L1이 이하의 식을 만족시키는, (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 중공사막 모듈.

L1≥3㎜

(10) 상기 제1 단부가 존재하는 중공사막 존재 영역의 최외경과 상기 정류통 내면의 간격 L1과, 상기 하우징의 상기 노즐이 설치되어 있는 위치에 있어서의 상기 하우징 내면과 상기 정류통 외면의 간격 L2가 이하의 식을 만족시키는, (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 중공사막 모듈.

10≥L2/L1≥0.5

본 발명의 중공사막 모듈에 따르면, 높은 순환 유량 시의 압력 손실의 증대를 방지하면서, 중공사막과 정류통 내벽면에 형성된 홈과의 접촉에 의하여 발생하는, 중공사막의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈의 개략 종단면이다.
도 2는 제1 실시 형태의 중공사막 카트리지의 개략 종단면이다.
도 3은 제1 실시 형태의 하우징에 있어서의 개략 종단면이다.
도 4는 제1 실시 형태의 정류통에 있어서의 사시도이다.
도 5는 제1 실시 형태의 정류통의 개략 종단면이다.
도 6은 제1 실시 형태의 제1 포팅의 개략 종단면이다.
도 7은 제1 실시 형태에 있어서의 크로스 플로우류(流)의 순환 경로도이다.
도 8은 제1 실시 형태에 있어서의 여과액의 흐름 경로도이다.
도 9는 도 8에 있어서의 P 부분의 확대도이다.
도 10은 제1 실시 형태에 있어서의 카트리지식 중공사막 모듈 상방의 개략 종단면이다.
도 11은 종래형 카트리지식 중공사막 모듈 상방의 개략 종단면이다.
도 12는 종래형 카트리지식 중공사막 모듈 상방의 개략 종단면이다.
도 13은 도 10에 있어서의 Q 부분의 확대도이다.
도 14는 하우징에 있어서의 다른 실시 형태이다.
도 15는 하우징에 있어서의 다른 실시 형태이다.
도 16은 하우징에 있어서의 다른 실시 형태이다.
도 17은 중공사막 모듈에 있어서의 다른 실시 형태이다.
도 18은 중공사막 모듈에 있어서의 다른 실시 형태이다.
도 19는 중공사막 모듈에 있어서의 다른 실시 형태이다.
도 20은 중공사막 모듈에 있어서, 중공사막의 느슨함이 정류 구멍이 존재하는 범위에 발생한 상태를 도시하는 개략 종단면도이다.
도 21은 중공사막 존재 영역의 최외경과 정류통 내면의 간격 L1, 하우징에 설치한 측면의 노즐이 설치되어 있는 위치에 있어서의 하우징 내면과 정류통 외면의 간격 L2, 하우징에 설치한 측면의 노즐 내경 L3을 나타내는 도면이다.
도 22는 시일재를 하우징의 축 방향으로 압축하는 구조의 예를 도시하며, 장전 방향에 수직인 면끼리에서의 압축의 예를 도시하는 개략 단면도이다.
도 23은 시일재를 하우징의 축 방향으로 압축하는 구조의 예를 도시하며, 시일재를 가압하는 정류통의 면이 경사면인 예를 도시하는 개략 단면도이다.
도 24는 시일재를 하우징의 축 방향으로 압축하는 구조의 예를 도시하며, 시일재를 가압하는 제1 집속 고정부의 면이 경사면인 예를 도시하는 개략 단면도이다.
도 25는 시일재를 하우징의 축 방향으로 압축하는 구조의 예를 도시하며, 시일재를 가압하는 정류통 및 제1 집속 고정부의 면이 경사면인 예를 도시하는 개략 단면도이다.
도 26은 시일 부분의 확대 단면도이며, 정류통의 내주면에 형성되는 볼록부가 직사각형 형상인 예를 도시하는 확대 단면도이다.
도 27은 시일 부분의 확대 단면도이며, 제1 집속 고정부에 직경 축소부가 설치되어 있지 않은 예를 도시하는 확대 단면도이다.
도 28은 제2 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈의 제1 집속 고정부 부근의 개략 종단면도이다.
도 29는 제2 실시 형태의 중공사막 모듈의 정류통과 제1 집속 고정부가 접착되어 있는 상태를 도시하는 도면이다.
도 30은 제3 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈의 제1 집속 고정부 부근의 개략 종단면도이다.
도 31은 제3 실시 형태의 중공사막 모듈이 정류통을 구비하지 않는 것을 설명하는 도면이다.
도 32는 제1 시일재를 적어도 하우징 본체의 가상 축 방향으로 압축함으로써 중공사막 카트리지를 용이하게 착탈 가능한 시일 구조로 한 실시 형태를 도시하는 확대 단면도이다.
도 33은 제1 시일재를 받는 면의 수평 방향과의 경사 α와, 제2 시일재를 받는 면의 수평 방향과의 경사를 변화시키는 실시 형태를 도시하는 확대 단면도이다.
도 34는 제4 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈의 개략 종단면도이다.
도 35는 제4 실시 형태에 따른 중공사막 카트리지의 개략 단면도이다.
도 36은 도 34의 A-A 선 단면도이다.
도 37은 도 34의 카트리지식 중공사막 모듈의 유지부의 측면도이다.
도 38은 도 34의 카트리지식 중공사막 모듈의 유지부 부근의 확대도이다.
도 39는 도 34의 카트리지식 중공사막 모듈의 유지부 부근의 확대도이다.
도 40은 도 34의 카트리지식 중공사막 모듈의 유지부 부근의 확대도이다.
도 41은 카트리지식 중공사막 모듈의 유지부 부근의 다른 실시 형태의 확대도이다.
도 42는 카트리지식 중공사막 모듈의 유지부 부근의 다른 실시 형태의 확대도이다.

이하에, 본 발명의 실시 형태에 따른 중공사막 모듈을 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 또한 본 발명에 있어서 「상측」, 「하측」은 도면에 도시하는 상태에 기초하고 있으며, 편의적인 것으로, 원수가 유입되는 측을 「하측」 방향, 여과액이 유출되는 측을 「상측」 방향으로 한다. 통상, 중공사막 모듈의 사용 시의 자세에 있어서, 상하 방향은 도면에 있어서의 상하 방향과 일치하지만, 가로로 눕혀 사용하는 모듈의 경우에는, 「상측」은 제1 단부측을 가리키고, 「하단부」「하측」은 각각 각 부재에 있어서의 타단부에 상당하게 된다.

(제1 실시 형태)

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 중공사막 모듈의 구성에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈의 개략 종단면도이다. 또한 하우징과 중공사막 다발을 분리 가능한 카트리지식을 예로 들어 설명하지만, 본 발명을 실시하기 위한 형태는 이에 한정되지 않으며, 제1 집속 고정부와 정류통, 하우징과 정류통 사이를 접착 고정에 의하여 액밀하게 고정하고 있어도 무방하다.

또한 정류통을 접착 고정하지 않는 경우에는 정류통을 용이하게 재이용할 수 있으며, 또한 접착면이 없이 시일재로 유지하므로 접착면의 박리 등의 우려가 없다는 등의 장점이 있다.

본 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈(101)은 하우징(30)(도 3 참조)과, 정류통(9)과, 복수의 중공사막(1)(도 2 참조)을 집속하여 상기 정류통(9) 내에 수용한 중공사막 다발(2)과, 상기 중공사막 다발(2)의 제1 단부를 개구시킨 상태에서 집속하는 제1 집속 고정부(11)와, 상기 중공사막 다발(2)의 제2 단부를 밀봉한 상태에서 집속하는 제2 집속 고정부(12)와, 상기 하우징(30)과 상기 정류통(9) 사이를 액밀하게 밀봉하는 제1 시일재(15)와, 상기 정류통(9)과 상기 제1 집속 고정부(11) 사이를 액밀하게 밀봉하는 제2 시일재(16)를 구비하고 있다.

<모듈 구조>

카트리지식 중공사막 모듈(101)의 구조를 도 1에 도시한다.

카트리지식 중공사막 모듈(101)은 하우징(30)과, 정류통(9)과, 정류통(9) 내에 수용된 도 2에 도시하는 중공사막 카트리지(100)를 구비한다.

<하우징>

하우징(30)에 대하여, 도 3을 이용하여 설명한다.

하우징(30)은 복수의 직경을 갖는 단차가 있는 대략 통형의 하우징 본체(3)와, 하우징 본체(3)의 상단부측 개구부에 덮어씌워 설치하는 상부 캡(4)과, 하우징 본체(3)의 하단부측 개구를 아래로부터 덮도록 설치하는 하부 캡(5)으로 구성되어 있다. 상부 캡(4)과 하우징 본체(3), 및 하우징 본체(3)와 하부 캡(5)은 각각, 개스킷과 클램프에 의하여 액밀하게 접속(이후, 시일이라 칭함)된다.

하우징 본체(3)는 상방을 대경부(3A), 하방을 소경부(3B)로 하는 복수 직경을 갖는 형상으로 하였다. 대경부(3A)와 소경부(3B)는 하우징 길이 방향 축을 공유하는 배치로 하고, 대경부(3A)의 내주면과 소경부(3B)의 내주면을 테이퍼형으로 접속하였다.

대경부(3A)의 측면에는 원액 유출구(8)(노즐)를 설치하였다. 또한 하우징 본체(3)의 그의 상단부에는 플랜지부(3C)를, 하단부에는 플랜지부(3D)를, 각각 하우징 본체(3)의 전체 둘레에 걸쳐 설치하였다.

상부 캡(4)은 하방에 하우징 본체(3) 상단부의 내경과 대략 동등한 내경을 갖고, 하우징 본체(3) 상단부의 플랜지부(3C)와 동일한 단면 형상인 플랜지부(4C)를 갖는다. 상단부측을 향하여 직경 축소되어, 상단부에 여과액 출구(7)를 형성하고 있다. 상부 캡(4)의 하단부측 내주에는, 단차부(4A)가 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 또한 단차부(4A)에는, 하우징 본체(3)의 길이 방향 축과 수직이 되는 평면(4F)을 전체 둘레에 걸쳐 형성하였다. 중공사막 카트리지(100)를 조립했을 때, 평면(4F)은 도 1과 같이 제1 집속 고정부(11) 상단부의 개스킷(18)(후술)을 압축한다.

하부 캡(5)은 하방에 하우징 본체(3) 하단부의 내경과 대략 동등한 내경을 갖고, 하우징 본체(3) 하단부의 플랜지부(3D)와 동일한 형상의 플랜지부(5D)를 갖는다. 하단부측을 향하여 직경 축소되어, 원액 유입구(6)를 형성하고 있다.

<정류통>

정류통(9)에 대하여, 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다.

정류통(9)은 통형 형상이며, 측주면(側周面)에 복수의 정류 구멍(10)을 갖는다. 상단부에는 플랜지부(9C)를 설치하고, 플랜지부(9C)를 하우징 본체(3)의 상단부면과 상부 캡(4)의 하단부면 사이에 끼워 넣어 장착한다. 플랜지부(9C), 하우징 본체(3)의 상단부면, 상부 캡(4)의 하단부면은 정류통(9)을 하우징(30)(하우징 본체(3))에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 제1 고정부로서 기능한다. 장착 후, 정류통(9b)의 하단부는 하우징 본체(3)의 원액 유출구(8)보다 하방에 위치한다. 중앙보다 상방의 외주측면에는 제1 시일재(15)(시일 부재)를 끼워 넣기 위한 O링 홈(31)을 형성하였다. 정류 구멍(10)은 O링 홈(31)보다 하측에 형성된다. O링 홈(31)에 제1 시일재(15)를 끼운 상태에서 정류통(9)을 하우징 본체(3)에 삽입함으로써, 하우징 본체(3) 내주면과 정류통(9) 외주면이 제1 시일재(15)에 의하여 시일된다. 정류통(9)의 중앙보다 상방의 내주면의 전체 둘레에 걸쳐, 대략 직각삼각형의 단면 형상을 갖는 볼록부(9E)를 형성하였다. 볼록부(9E)의 단면은 하우징 본체(3)의 길이 방향 축에 평행인 변과, 하우징 본체(3)의 길이 방향 축을 통과하여 길이 방향 축에 수직인 변의 2변을 가지며, 또한 하우징 본체(3)의 직경 방향 중심축을 향하여 하향으로 경사지는 변을 갖는, 대략 직각삼각형 형상을 갖는다.

정류통에 형성되어 있는 정류 구멍의 형상은 모듈 내의 흐름을 정류하는 효과가 있으면 특별히 제한은 없으며, 원형, 타원형, 다각형, 또한 슬릿형 등의 형상이 바람직하게 사용되고, 몇 가지 형상의 구멍을 혼합하여 사용할 수도 있다.

또한 정류 구멍의 배치에 특별히 한정은 없다. 정류통 내면에 균등하게 배치할 수도 있고, 하우징 측면의 노즐 부근에 있어서, 모듈로부터 배출되는 액량이 많아질 것이 예상되는 경우에는, 하우징 측면의 노즐 부근의 정류 구멍의 개구를 적게 할 수도 있다.

<카트리지>

도 2에 도시한 바와 같이, 중공사막 카트리지(100)는, 복수의 중공사막(1)으로 이루어지는 중공사막 다발(2)과, 중공사막 다발(2)의 상단부측에서 중공사막 다발(2)을 접착 고정하는 제1 집속 고정부(11)와, 중공사막 다발(2)의 하단부측에서 중공사막 다발(2)을 접착 고정하는 제2 집속 고정부(12)를 구비한다.

<제1 집속 고정부>

제1 집속 고정부(11)에 대하여, 도 6을 이용하여 설명한다.

중공사막 다발(2)의 상단부에 있어서, 중공사막 카트리지(100)의 상단부측에 배치되는 제1 집속 고정부(11)는 중공사막 다발(2)을 구성하는 복수의 중공사막(1)끼리의 간극을 수지로 접착 고정함으로써 형성된다. 중공사막 다발(2)의 상단부는, 중공사막(1)이 개구된 상태에서 집속되어 있다. 제1 집속 고정부(11)는 단차가 있는 대략 원기둥형이며, 제1 집속 고정부(11)의 중앙보다 하방의 측면에는, 전체 둘레에 걸쳐 단차부(11E)가 형성되어 있다. 단차부(11E)보다 상방의 외경이, 단차부(11E)보다 하방에 해당하는 외경보다 커지도록 형성되어 있다.

중공사막 다발(2)은 제1 집속 고정부(11)의 직경 방향의 중앙 가까이에 위치하도록 형성된다. 중공사막 다발(2)의 존재 영역(32)의 대략 외경 Df는 제1 집속 고정부(11)의 최외경 Du보다 작게, 또한 제1 집속 고정부(11)의 하측 소경부의 외경 Dd보다 작게 하였다. 이것에 의하여, 제1 집속 고정부(11)의 하단부에 있어서의 중공사막 다발(2)의 존재 영역을 제1 집속 고정부(11)의 하측 소경부의 외경 Dd 동등 이하로 할 수 있으며, 정류 구멍(10)에 대한 중공사막 다발(2)의 부착 예방 효과를 높일 수 있다. 중공사막 다발(2)은 제1 집속 고정부를 형성하는 형틀로 규제하여 수지 주입을 행하고 중앙에 배치했지만, 중공사막 다발(2)을 사전에 착탈 가능한 테이프 등으로 결속함으로써 중앙에 가까이 하는 방법이어도 된다.

또한 중공사막 다발(2)이 개구 상태가 되도록 수지로 접착 고정하여 이루어지는 제1 집속 고정부는 이하의 방법으로 제작하였다. 중공사막 다발(2)을 소량의 수지 등으로 중공부의 눈먹임을 행한 상태에서 형틀에 설치하고, 제1 집속 고정부(11)를 형성하는 수지를 유입시켜, 중공사막(1) 사이를 접착하여 집속한다. 집속된 중공사막 다발(2)과 그의 주위에 형성된 형틀 형상의 수지를 형틀로부터 취출하고, 눈먹임을 실시한 중공사막 다발(2)의 선단부측을 수지째로 절단함으로써 제1 집속 고정부를 제작한다.

<제2 집속 고정부>

도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 하우징 본체(3)의 하방, 원액 유입구(6)측에는, 중공사막 카트리지(100)의 하단부측인 제2 집속 고정부(12)를 배치하였다. 제2 집속 고정부(12)는 제2 집속 고정부 케이스(13) 내에 수지를 주입시켜, 다수 개의 중공사막(1)으로 이루어지는 중공사막 다발(2)의 제2 단부를 매몰시키고, 또한 중공사막(1)의 중공부(33)(도 8 및 도 9 참조)를 폐색시켜 이루어진다. 제2 집속 고정부 케이스(13)는 하방에 저부를 갖는 원통 형상이며, 그 외경은 하우징 본체(3)의 내경보다 작게 구성하였다. 또한 제2 집속 고정부(12)는 중공사막 다발(2)과 대략 평행이며, 또한 제2 집속 고정부 케이스(13)와 그의 내부에 충전된 수지를 관통하는 관통 구멍(14)을 복수 갖고 있다.

<크로스 플로우>

본 발명에 있어서의 카트리지식 중공사막 모듈(101)은 크로스 플로우 여과 운전에도 사용된다. 본 실시 형태에 있어서의 크로스 플로우가 흐르는 방식(순환 경로)을, 도 7을 이용하여 설명한다.

크로스 플로우에서는, 여과 전의 원액은 하우징 본체(3) 하방의 원액 유입구(6)로부터 유입되고, 제2 집속 고정부(12)의 관통 구멍(14) 및 제2 집속 고정부(12)와 하우징 본체(3) 사이 중 어느 하나를 통과하여 중공사막의 여과부(110)로 유입된다. 여과부(110)란, 제2 집속 고정부(12)의 상단부보다 상방이며 또한 제1 집속 고정부(11)의 하단부보다 하방에 해당하는 공간을 가리킨다. 원액은 여과부(110)에서, 중공사막 다발(2)측을 통과하고, 제1 집속 고정부(11) 아래에서, 정류통(9)의 내주측으로부터 정류통(9) 측면에 형성된 정류 구멍(10)을 통하여 정류통(9)의 외주측으로 유출, 또는 정류통(9)의 하단부와 하우징 본체(3)의 간극을 통과한다. 그 후, 정류통(9) 외주와 하우징 본체(3)의 내주 사이의 환상 유로(35)를 원액 유출구(8)를 향하여 흘러, 원액 유출구(8)로부터 카트리지식 중공사막 모듈(101) 외부로 유출된다. 원액 유출구(8)로부터 유출된 원액은 배관에 접속된 펌프 등을 통하여, 다시 원액 유입구(6)로부터 하우징 본체(3) 내로 유입된다. 이와 같이, 막 표면에 대하여 원액을 평행하게 흐르게 하면서 여과하는 방식을 크로스 플로우 여과라 칭하며, 그 흐름을 크로스 플로우류라 칭한다. 막면 상을 원액이 평행하게 흐름으로써, 막면 상에 부착된 현탁 물질은 원액의 흐름에 의하여 쓸려 나가 카트리지식 중공사막 모듈(101) 외부로 배출되기 때문에, 원액 중의 현탁 물질 등이 막면에 퇴적되는 것을 억제하는 효과가 있다.

<여과액의 흐름>

본 실시 형태에 있어서의 여과액의 흐름을, 도 8 및 도 9를 이용하여 설명한다.

여과부(110)로 유입된 원액은 중공사막 다발(2)측을 통과하는 「농축액」과, 외압에 의하여, 중공사막 다발(2)을 구성하는 중공사막(1)의 중공부(33)에 압입되면서 여과되는 「여과액」으로 나뉜다. 도 8, 도 9의 화살표로 표시한 바와 같이, 여과액은 중공사막(1)의 중공부(33)를 상승하여, 제1 집속 고정부(11) 내부를 통과하고, 제1 집속 고정부(11)의 상단부에서 개구되어 있는 중공사막(1)의 개구부를 거쳐 저액부(34)로 유입된다. 저액부(34)란, 제1 집속 고정부(11)의 상단부와 상부 캡(4) 내면으로 포위되는 공간이며, 저액부(34)로 유입된 여과액은 상부 캡(4) 상단부의 여과액 출구(7)를 거쳐 카트리지식 중공사막 모듈(101)로부터 유출된다.

<카트리지식 중공사막 모듈의 조립 방법>

하우징 본체(3)의 상단부 개구로부터 정류통(9)(도 4, 도 5)을 하우징 본체(3)(도 3)의 내측에 배치하고, 정류통(9)의 상단부 개구부로부터 중공사막 카트리지(100)를 삽입한다. 이때, 정류통(9)에는 제1 시일재(15)를, 제1 집속 고정부(11)에는 제2 시일재(16) 및 개스킷(18)을 장착해 둔다. 삽입한 중공사막 카트리지(100)의 하단부에 위치하는 제2 집속 고정부 케이스(13)를 하부 캡(5)에 걸림 결합하고, 하우징 본체(3) 하단부의 플랜지부(3D)와 하부 캡(5)의 플랜지부(5D)를, 시일재를 개재하여 클램프로 체결하여 시일한다. 중공사막 다발(2)에 느슨함을 갖게 함으로써, 중공사막 카트리지(100)의 하단부는 하우징 본체(3) 하단부로부터 비어져 나와 있으며, 하부 캡(5)의 장착 작업성도 향상되는 이점이 있다. 하부 캡(5)을 시일 고정한 후, 하우징 본체(3) 상단부의 플랜지부(3C)와 상부 캡(4)의 플랜지부(4C)를, 시일재를 개재하여 클램프로 체결하여 시일한다. 이때, 제1 시일재(15)는 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이에서 압축되고, 제2 시일재(16)는 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이에서 동시에 압축된다. 클램프의 체결에 의하여, 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이, 및 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이도 동시에 시일되어, 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 조립이 완료된다.

<카트리지식 중공사막 모듈의 조립 상태>

상기 조립 방법에 의하여, 하우징 본체(3)의 내측에 정류통(9)을 배치한다. 하우징 본체(3)는 상방에 대경부(3A), 대경부(3A)의 하방에 소경부(3B)를 갖는데, 대경부(3A)와 소경부(3B)는 하우징 본체(3)의 길이 방향으로 동축이며, 대경부(3A)와 소경부(3B)를 테이퍼형의 측면에 의하여 접속하는 형상인 것이 바람직하다. 정류통(9)은 대경부(3A)와 소경부(3B)의 테이퍼형 접속부로부터 상방의 범위에 수용되도록 배치되며, 정류통(9)의 하방에는 하우징 본체(3)의 소경부(3B)가 위치한다. 정류통(9)의 플랜지부(9C)는, 하우징 본체(3)의 플랜지부(3C)와 상부 캡(4)의 하단부 플랜지부(4C)에 협압(狹壓) 고정된다.

본 실시 형태는 도 10과 같이, 소경부(3B)의 내경 Di를, 정류 구멍이 존재하는 부분에 있어서의 정류통(9)의 내경 D1보다 작고, 또한 중공사막 다발(2)의 존재 영역(32)의 외경 Df에 근사한 크기로 하였다.

종래 기술에서 설명한 바와 같이, 중공사막 다발(2)은 느슨함을 갖는 상태에서, 제1 집속 고정부(11)와 제2 집속 고정부(12)를 개재하여 하우징 본체(3) 내에 장착되어 있다.

중공사막(1)의 느슨함은 원액에 수반되기 쉬워, 정류 구멍(10)을 폐색시켜, 원액의 크로스 플로우류의 압력 손실의 상승과, 여과 운전 시에 있어서의 펌프 등의 운전 구동력의 상승을 야기한다. 또한 정류 구멍(10)의 에지에 가압되기 때문에 중공사막(1)이 손상되는 등의 문제도 있다.

본 발명에 있어서의 카트리지식 중공사막 모듈(101)은 상방에서, 중공사막 다발(2)이 제1 집속 고정부(11)의 중앙에 위치하기 때문에, 도 10과 같이 중공사막(1)의 존재 영역(32)의 외경 Df와 정류통(9)의 내벽과의 간극을 형성할 수 있으며, 그 결과, 중공사막(1)에 의한 정류 구멍(10)의 폐색을 회피할 수 있다. 노즐(8)을 설치한 부분의 하우징 본체(3)의 내경, 즉 대경부(3A)의 내경 Do와, 노즐(8)을 설치한 부분의 정류통(9)의 내경, 즉 정류 구멍이 존재하는 범위에 있어서의 정류통의 내경 D1과, 소경부(3B)의 내경 Di가, Di<D1<Do의 관계를 만족시킬 때, 중공사막(1)에 의한 정류 구멍(10)의 폐색을 회피할 수 있다.

특히 중공사막(1)의 존재 영역(32)의 외경 Df와 정류통(9)의 내벽과의 간극을 중공사막(1)의 느슨함 길이보다 길게 하는 것은 중공사막(1)이 정류 구멍(10)을 폐색하는 것을 확실히 방지할 수 있기 때문에 바람직하다. 구체적으로는, 정류통(9)의 내경 D1과, 중공사막(1)의 존재 영역(32)의 외경 Df와, 제1 집속 고정부(11) 하단부로부터 제2 집속 고정부(12) 상단부까지의 직선 거리 L과, 제1 집속 고정부(11) 하단부로부터 제2 집속 고정부(12) 상단부까지의 중공사막(1)의 평균 길이 Lm의 관계가 D1-Df>(Lm-L)/2를 만족시키면 된다. 상기 관계식은 본 실시 형태에 근사한 다른 구조에 있어서, 예의 검토한 결과 알아낸 것이다. 또한 보다 바람직하게는, 정류통(9)의 내경 D1과, 중공사막(1)의 존재 영역(32)의 외경 Df와, 제1 집속 고정부(11) 하단부로부터 제2 집속 고정부(12) 상단부까지의 직선 거리 L과, 제1 집속 고정부(11) 하단부로부터 제2 집속 고정부(12) 상단부까지의 중공사막(1)의 평균 길이 Lm의 관계가 D1-Df>Lm-L을 만족시키는 구조이다. 상기 관계식을 만족시키는 구조이면, 도 20과 같이 가령 중공사막(1)의 느슨함이 정류 구멍(10)이 존재하는 범위에만 편중되어 정류 구멍(10)에 국소적으로 인입되었을 경우에도, 중공사막(1)이 정류통(9)의 내벽에 접촉하는 일이 없는 확실한 관계이기 때문이다.

또한 카트리지식 중공사막 모듈(101)은 하우징 본체(3)의 소경부(3B)의 내경 Di와 중공사막(1)의 존재 영역(32)의 외경 Df를, 제2 집속 고정부 케이스(13)에 근사한 크기로 하였다. 하방에 제2 집속 고정부 케이스(13)가 장착된 중공사막 카트리지(100)를 하우징 본체(3)의 상단부 개구부로부터 하단부 개구부까지 삽입 가능한 범위에서, 중공사막(1)의 수반 범위를 최대한 작게 하는 효과가 있다. 또한 이 구성에 따르면, 정류통(9)의 상방과 정류통(9)의 하방, 또한 제2 집속 고정부 케이스(13)에서 중공사막 다발(2)을 구속하여 중공사막 다발(2)의 대략 외경을 유지하고 있기 때문에, 하우징 본체(3)가 대경부(3A)만으로 구성되어 내경이 일정한 종래의 구조(도 11)에 비하여, 중공사막 다발(2)의 외경 구속 효과가 높아져 중공사막(1)의 원액 흐름에의 수반을 억제하는 효과를 높일 수 있다. 또한 도 12에 도시한 바와 같이, 하우징 본체(3)가 내경 일정하게 소경부(3B)만으로 형성됨으로써, 하우징 본체(3) 내측면과 정류통(9) 외측면과의 환상 유로(35)가 작은 경우에는, 환상 유로(35)에 있어서의 크로스 플로우류의 압력 손실이 증대되어 여과 성능이 저하되는 문제가 있음이 종래 기술에 있어서 알려져 있어, 바람직하지 않다.

또한 정류통(9)이 다단이고 복수의 내경을 갖는 경우, 상기 정류통(9)의 내경이란, 제1 집속 고정부(11)보다 하방에 있어서의 최소 내경을 가리킨다.

대경부(3A)와 소경부(3B)를 테이퍼형으로 접속했기 때문에, 예를 들어 여과부(110)를 증기 멸균한 후에 발생하는 스팀 드레인을 하우징 본체(3)에 체류시키지 않고 유하시키는 효과가 있다.

대경부(3A)나 소경부(3B)는 일체로 제작할 필요는 없으며, 운전 또는 가공 방법에 맞추어 적절히 별도의 부재로 분할함으로써, 하우징 본체(3)의 제작 효율이나, 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 취급성을 높일 수 있다.

<시일부 조립 상태>

제1 시일재(15) 및 제2 시일재(16)를 사용한 시일에 대하여, 도 13을 이용하여 설명한다.

먼저, 하우징 본체(3)에 정류통(9)을 상방으로부터 삽입하여 장착한다. 정류통(9)의 하방 외주의 홈에 배치한 제1 시일재(15)가 하우징 본체(3)의 내주측면과 정류통(9)의 외주측면에 접촉하여, 하우징 본체(3)와 정류통(9)을 시일한다. 제1 시일재(15)는, 정류통(9)과 하우징(30)(하우징 본체(3)) 사이를 액밀하게 밀봉하는 제1 시일부로서 기능한다.

다음으로, 중공사막 카트리지(100)의 제1 집속 고정부(11)의 단차부(11E) 아래에 제2 시일재(16)를 장착하고, 하우징 본체(3)에 장착한 정류통(9)의 상방 개구부로부터 삽입한다. 중공사막 카트리지(100)를 상방으로부터 삽입했을 때, 제1 집속 고정부(11)에 배치한 제2 시일재(16)가, 정류통(9)의 내주 전체 둘레에 걸쳐 형성된 볼록부(9E)에 접촉하고, 하우징 본체(3)의 축 방향(도 1에서 말하는 상하 방향)으로 제2 시일재(16)가 압축됨으로써, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11)를 시일한다. 제2 시일재(16)는, 제1 집속 고정부(11)와 정류통(9) 사이를 액밀하게 밀봉하는 제2 시일부로서 기능한다. 또한 제1 집속 고정부(11)의 단차부(11E)와, 정류통(9)의 볼록부(9E)는, 제1 집속 고정부(11)를 정류통(9)에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 제2 고정부로서 기능한다.

하우징 본체(3)와 정류통(9)은 본 실시 형태와 같이 하우징(30)의 직경 방향(도 1에서 말하는 수평 방향)으로 제1 시일재(15)를 압궤하여 시일할 수도 있고(제1 시일재(15)가 하우징(30)의 직경 방향으로 압축되는 상태), 하우징(30)의 축 방향(도 1에서 말하는 상하 방향)으로 시일재를 압궤하여 시일할 수도 있다(적어도 제1 시일재(15)가 하우징(30)의 축 방향으로 압축되는 상태). 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이를 시일할 수 있으면 되며, 제1 시일재(15)를 압궤하는 방향 및 압궤하는 구조는 상기에 한정되는 것은 아니다. 또한 부재끼리의 감합 등으로 시일할 수 있으면, 제1 시일재(15)는 반드시 있지는 않을 수도 있다. 마찬가지로 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11)도, 본 실시 형태와 같이 정류통(9)(또는 하우징(30))의 축 방향으로 제2 시일재(16)를 압궤하여 시일할 수도 있고(적어도 제2 시일재(16)가 하우징(30)의 축 방향으로 압축되는 상태), 정류통(9)(또는 하우징(30))의 직경 방향으로 제2 시일재(16)를 압궤하여 시일할 수도 있다(제2 시일재(16)가 하우징(30)의 직경 방향으로 압축되는 상태). 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이를 시일할 수 있으면 되며, 제2 시일재(16)를 압궤하는 방향 및 압궤하는 구조는 상기에 한정되는 것은 아니다. 또한 정류통(9) 내면에 제1 집속 고정부를 접착하거나, 또한 부재끼리의 감합 등으로 시일할 수 있으면, 제2 시일재(16)는 반드시 필요하지는 않다.

카트리지식 중공사막 모듈(101)은 중공사막 카트리지(100)를 하우징 본체(3)의 가상 축 방향으로 움직여 정류통(통형 케이스)(9)에 탈착한다. 본 예에서는, 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이의 제1 시일재(15)를 하우징 본체(3)의 직경 방향으로 압축하고, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이의 제2 시일재(16)를 적어도 하우징 본체(3)의 축 방향으로 압축하는 구조를 채용하고 있다. 따라서 중공사막 카트리지(100)를 하우징 본체(3)의 축 방향으로 인발하는 조작에 있어서, 제2 시일재(16)에는 접동 저항이 거의 작용하지 않아, 중공사막 카트리지(100)만을 용이하게 취출할 수 있다. 중공사막 카트리지(100)를 하우징 본체(3)의 가상 축 방향으로 인발할 때, 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이의 제1 시일재(15)에는, 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이에 배치한 제1 시일재(15)에 접동 저항인 마찰력이 발생하여, 하우징 본체(3)에 대하여 정류통(9)이 움직이기 어려운 데 비하여, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이의 제2 시일재(16)에서는 마찰력이 상대적으로 작기 때문이다.

또한 본 발명에 있어서, 제1 시일재(15) 또는 제2 시일재(16)와 같은 시일재가 「하우징의 직경 방향으로 압축된다」는 것은 하우징(30)의 가상 축을 중심으로 한 원통면에 시일재가 가압되어, 당해 원주 면을 따라 압축되어 고정되는 것을 의미한다. 또한 「적어도 하우징의 축 방향으로 압축된다」는 것은 시일재가 직경 방향으로만 압축되는 상기 구조 이외를 가리킨다. 구체적으로는, 중공사막 카트리지(100)나 정류통(9)과 같은 통형 케이스 등을 하우징 본체(3)에 장전했을 때, 시일재가 적어도 장전 방향으로 압축되는 구조를 의미하며, 제2 시일재(16)에 관한 도 22 내지 도 25와 같은 경우도 포함한다. 예를 들어 도 22와 같이 장전 방향에 수직인 면끼리에서의 압축일 수도 있다. 도 23과 같이, 제2 시일재(16)를 받는 정류통(9)의 면이 경사면일 수도 있다. 도 24와 같이 제2 시일재(16)를 받는 정류통(9)의 면이 수평이고, 제2 시일재(16)를 가압하는 제1 집속 고정부(11)의 면이 경사면일 수도 있다. 도 25와 같이, 제2 시일재(16)를 가압하는 제1 집속 고정부(11)의 면, 및 제2 시일재(16)를 받는 정류통(9)의 면의 양쪽이 경사면일 수도 있으며, 각각의 경사가 일치하고 있을 수도, 상이할 수도 있다. 하우징(30)이 복수의 축을 갖는 경우에는, 하우징 본체(3)의 가상 축을 하우징(30)의 가상 축으로 간주한다. 이러한 조건은 제1 시일재(15)에도 적용된다.

본 실시 형태에서는, 정류통(9)에, 도 13과 같이 내주면 상방에, 대략 삼각의 단면 형상을 갖는 볼록부(9E)를 전체 둘레에 걸쳐 형성하고, 볼록부(9E)의 단면 형상은 하우징 본체(3)의 길이 방향 축에 평행인 방향 E1과 하우징 본체(3)의 길이 방향 축에 수직인 방향 E2의 2변을 갖는, 예각이 약 30°인 대략 직각삼각형 형상으로 하였다(도 23에 대응). 하우징 본체(3)의 중심축측을 향하여 하향으로 경사지는 삼각형의 단면 형상으로 하고 있기 때문에, 증기 멸균 시에 발생하는 스팀 드레인이 볼록부(9E)의 삼각형의 단면 형상을 유하하여, 드레인에 의한 승온이 느린 개소의 발생을 예방할 수 있다. 스팀 드레인의 체류를 예방함으로써, 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 내부를 승온시키기 쉬운 효과가 있다.

정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이의 제2 시일재(16)를 적어도 하우징(30)의 가상 축 방향으로 압축하는 구조이면, 본 실시 형태의 목적을 달성할 수 있기 때문에, 정류통(9)의 내주면에 형성되는 볼록부(9E)는, 도 26과 같이 수평의 직사각형 형상일 수도 있다(도 22에 대응). 또한 볼록부(9E)의 단면 형상은 대략 직각삼각형, 직사각형 형상에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 사다리꼴 등의 다각형이나 반원형, 부채형 등, 스팀 드레인이 저류되지 않고 유하하기 쉬운 형상이면 된다. 특히 대략 직각삼각형이나 사다리꼴 등은 시일재를 받는 면이 평면이기 때문에 시일성이 양호하고, 나아가 사다리꼴이면 하우징 본체(3)의 상하 방향의 힘에 대하여 볼록부(9E)의 강도를 확보하기 쉬워, 더욱 바람직하다.

종래부터 중공사막 모듈은 막 여과 성능을 유지하기 위하여, 일정 기간 운전 후 정기적인 막 세정을 실시하는 것이 일반적이다. 아울러, 막 세정 후에 다시 멸균을 실시하여 오염을 방지함으로써 발효 생산 효율의 유지를 행한다. 그리고 종래의 카트리지식 중공사막 모듈은 중공사막과 하우징 또는 중공사막과 정류통(통형 케이스)이 포팅제에 의하여 접착되는 구조가 주류였다.

본 실시 형태에 있어서의 카트리지식 중공사막 모듈(101)은 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이를 제1 시일재(15)로 시일하고, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이를 접착이 아니라 제2 시일재(16)를 개재하여 시일하는 구조를 채용하였다. 종래 형상의 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이의 접착부에 있어서, 열팽창과 수축의 반복으로, 재질이 상이한 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11)가 박리를 일으킬 수 있는 가혹한 조건 하에서의 사용 시에도, 본 실시 형태는 접착을 불필요로 하는 시일 구조이기 때문에 박리가 일어날 우려가 없다. 특히 각 부재의 상온 시의 형상 및 열팽창 시의 형상에 있어서도, 제1 시일재(15)와 제2 시일재(16)가 각각 시일 가능해지도록 각 부재 치수를 결정하였다. 열팽창과 수축을 반복하더라도, 제1 집속 고정부(11)와 정류통(9) 사이의 박리를 예방할 수 있어, 원수 누설이나 세정성이 나쁜 간극의 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한 종래와 같이 정류통(9)을 제1 집속 고정부(11)로 접착 고정하고 있지 않기 때문에, 중공사막 카트리지(100)를 교환했을 때도 정류통(9)을 재이용할 수 있는 이점이 있다.

또한 카트리지식 중공사막 모듈(101)을 조립했을 때, 정류통(9)의 내주면에 형성한 볼록부(9E)와, 제1 집속 고정부(11)의 직경 축소부(11B)는, 도 13과 같이 거의 동일한 높이가 되도록 설계하였다. 도 27과 같이 직경 축소부(11B)를 설치하지 않는 경우에 비하여, 볼록부(9E)와 제1 집속 고정부(11)의 간극 공간 A를 크게 할 수 있기 때문에, 고온 멸균 시에, 예를 들어 증기 멸균이면 증기가, 온수 멸균이면 온수가 제2 시일재(16)까지 도달하기 쉬워 멸균 효율을 높일 수 있다. 마찬가지로, 볼록부(9E)와 제1 집속 고정부(11)의 간극 공간 A를 크게 할 수 있기 때문에, 운전 시의 원액이나 멸균 후의 스팀 드레인의 배출성도 높아, 원액이나 스팀 드레인에 의하여 승온 불충분해지는 것을 예방할 수 있어, 멸균 효율이 높은 형상으로 할 수 있다.

<하우징의 시일 방법>

상부 캡(4)과 하우징 본체(3), 및 하우징 본체(3)와 하부 캡(5)의 시일은 도 1에 도시한 바와 같이 시일 부재(19)를 사이에 둔 상태에서, 접속부의 외측으로부터 클램프 등으로 체결하는 방법일 수도 있고, 플랜지부를 복수 개의 볼트로 체결하는 방법 등일 수도 있다. 특히 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 사용 기간이 짧은 경우에는, 손쉽게 착탈할 수 있는 클램프에 의한 체결 쪽이 바람직하다. 한편, 고압력 하에서의 운전이나, 운전이 장기간이고 중공사막 카트리지의 교환 빈도가 낮은 경우 등은 복수 개의 볼트에 의한 체결 쪽이 느슨해지기 어려워 바람직하다. 또한 하우징에 대하여 중공사막 카트리지(100)를 탈착 가능하면 되며, 상부 캡(4)과 하부 캡(5) 중 어느 하나가 하우징 본체(3)에 용접되어 있는 등, 도 14와 같이 하우징 본체(3)와 일체물일 수도 있다. 또한 하우징 본체(3)를 갖지 않고, 도 15와 같이 상부 캡(4)과 하부 캡(5)의 각각이 통형부를 갖는 형상일 수도 있다.

<저액부의 시일 방법>

제1 집속 고정부(11)의 상단부면에 개스킷용 홈(17)을 형성하고, 저액부를 시일하기 위한 개스킷(18)을 개스킷용 홈(17)에 대하여 안에서 끼워 장착하였다. 개스킷용 홈(17)은 중공사막(1)의 존재 영역(32)보다 외주에 형성하고, 개스킷용 홈(17)의 내경을 상부 캡(4)의 평면(4F)(도 3 참조)의 내경과 동등한 치수로 하였다. 도 3과 같이 상부 캡(4)의 플랜지부(4C)와 하우징 본체(3)의 플랜지부(3C)를 클램프로 체결할 때, 상부 캡(4)의 평면(4F)에 의하여 개스킷(18)이 압축되어 저액부(34)를 시일한다. 개스킷용 홈(17)의 내경을 중공사막(1)의 존재 영역(32)보다 외주에 형성했기 때문에, 중공사막 다발(2)의 개구되어 있는 제1 단부가 모두 개스킷용 홈(17)보다 내측에 있어, 중공사막(1)을 모두 유효하게 사용할 수 있는 이점이 있다.

<중공사막>

본 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈(101)은 분리막으로서 중공사막을 구비한다. 중공사막은 일반적으로 평막보다 비표면적이 커, 단위 시간당 여과할 수 있는 액량이 많기 때문에 유리하다. 중공사막의 구조로서는, 전체적으로 구멍 직경이 균일한 대칭 막이나, 막의 두께 방향으로 구멍 직경이 변화되는 비대칭 막, 강도를 유지하기 위한 지지층과 대상 물질의 분리를 행하기 위한 분리 기능층을 갖는 복합막 등이 존재한다.

중공사막의 평균 구멍 직경은 분리 대상에 따라 적절히 선택하면 되지만, 세균류나 진균류 등의 미생물이나, 동물 세포의 분리 등을 목적으로 하는 경우, 10㎚ 이상 220㎚ 이하인 것이 바람직하다. 평균 구멍 직경이 10㎚ 미만이면 투수성이 낮아지고, 220㎚를 초과하면 미생물 등이 누설될 가능성이 있다. 본 발명에서의 평균 구멍 직경이란, 구멍 직경이 가장 작은 치밀층의 구멍 직경으로 한다.

분리막의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 분리막은, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리불화비닐, 4불화에틸렌·6불화프로필렌 공중합체, 에틸렌·4불화에틸렌 공중합체 등의 불소계 수지, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스아세테이트프로피오네이트, 셀룰로오스아세테이트부티레이트 등의 셀룰로오스에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르술폰 등의 폴리술폰계 수지, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리프로필렌 등의 수지를 함유할 수 있다. 특히 불소계 수지나 폴리술폰계 수지를 포함하는 분리막은 내열성, 물리적 강도, 화학적 내구성이 높은 점에서, 카트리지식 중공사막 모듈에 적절히 사용할 수 있다.

또한 중공사막은 불소계 수지나 폴리술폰계 수지 외에, 친수성 수지를 더 함유할 수도 있다. 친수성 수지에 의하여, 분리막의 친수성을 높이고 막의 투수성을 향상시킬 수 있다. 친수성 수지는, 분리막에 친수성을 부여할 수 있는 수지이면 되며, 구체적인 화합물에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 셀룰로오스에스테르, 지방산 비닐에스테르, 비닐피롤리돈, 에틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드, 폴리메타크릴산에스테르계 수지 및 폴리아크릴산에스테르계 수지 등이 적절히 사용된다.

중공사막 카트리지를 제작할 때는, 캡에 중공사막을 충전하고 수지를 주입하여 고정한다. 이 주입 고정 작업을 포팅이라 칭하며, 포팅에 사용하는 수지를 포팅재라고 칭하는데, 포팅 전에는, 취급이나 접착의 문제 때문에 중공사막을 건조시켜 둔다. 그러나 중공사막의 대부분은 건조에 의하여 수축이 일어나 투수성이 저하된다는 문제가 있기 때문에, 글리세린 수용액에 침지시킨 후에 건조시킨 것을 사용한다. 글리세린 수용액에 침지시킨 후에 건조하면, 글리세린이 세공 내에 잔류함으로써 건조에 의한 수축을 방지할 수 있으며, 그 후, 에탄올 등의 용매로 침지 처리를 행함으로써 투수성을 회복시킬 수 있다.

카트리지식 중공사막 모듈은 증기 멸균하고 난 후에 사용하는 것도 가능하지만, 중공사막의 재질에 따라서는 증기 멸균에 의하여 수축이 일어나는 경우가 있다. 그 때문에, 모듈 제작 후에 증기 멸균을 행하면, 중공사막의 수축에 의하여 중공사막이 손상되거나, 중공사막과 포팅 수지가 박리되거나 할 가능성이 있다. 따라서 미리 중공사막을 증기 처리하고, 수축시키고 난 후에 포팅을 행하여 모듈을 제작하는 것이 바람직하다. 수축시키기 위한 전처리 온도는, 실제로 행하는 증기 멸균 온도보다 높게 해 두는 것이 바람직하다.

또한 상술한 중공사막은 막의 외측으로부터 압력을 가하여 여과를 행하는 외압식 중공사막 모듈, 및 막의 내측으로부터 압력을 가하여 여과를 행하는 내압식 중공사막 모듈 중 어느 중공사막에도 적용할 수 있는 것이다. 본 실시 형태에 적용하는 경우에는 외압식 중공사막이 바람직하다.

<하우징, 정류통의 재질>

카트리지식 중공사막 모듈에서 사용하는 하우징의 재질은 내열성, 화학적 내구성 등을 만족시키면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 폴리술폰계 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시불소 수지 등의 불소계 수지, 폴리카르보네이트, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르케톤, 스테인레스, 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한 카트리지식 중공사막 모듈에서 사용하는 정류통 및 제2 집속 고정부 케이스(13)의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 하우징과 마찬가지의 재료에서 선택할 수 있다.

<집속 고정부의 재질>

카트리지식 중공사막 모듈(101)의 제1 집속 고정부(11) 및 제2 집속 고정부를 형성하는 포팅 수지의 종류는, 접착 대상 부재와의 접착 강도, 내열성, 화학적 내구성 등을 만족시키면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 에폭시 수지나 폴리우레탄 수지 등을 사용할 수 있다. 에폭시 수지나 폴리우레탄 수지는, 중공사막과의 접착성, 내열성, 화학적 내구성이 우수한 것이 많아, 본 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈의 중공사막끼리를 집속 고정하는 포팅 수지로서 적절히 사용할 수 있다.

<시일재>

카트리지식 중공사막 모듈에서 사용하는 O링이나 개스킷 등의 시일재의 재질은 내열성, 화학적 내구성 등을 만족시키면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 불소 고무, 실리콘 고무, 에틸렌프로필렌디엔 고무(EPDM) 등을 사용할 수 있다.

특히 제1 시일재(15) 및 제2 시일재(16)에는 O링을 사용했기 때문에, 압궤율은 일반적으로 8% 이상 30% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 도 1과 같이 제1 집속 고정부(11)를 정류통(통형 케이스)(9)과 직접 접착하지 않고, 제1 시일재(15)를 사용하여 시일하였다. 그 때문에, 종래의 카트리지식 중공사막 모듈과 같이, 열처리에 의하여 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11)가 박리되어, 원수의 여과액측으로의 누설 및 잡균 오염 등의 문제가 발생하는 일은 없다. 제1 집속 고정부(11)는 증기 멸균 시나 발효 배양액의 여과 등의 연속 운전 시, 세정 시 등, 사용 온도에 따라 팽창과 수축을 반복하는 것이 알려져 있다. 마찬가지로 정류통(9)이나 하우징 본체(3)도 사용 온도에 따라 팽창과 수축을 반복한다. 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이를 시일하는 제1 시일재(15)와, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이를 시일하는 제2 시일재(16)는, 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 사용 온도 범위 전체 영역에 있어서 압궤율 8% 이상 30% 이하가 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 동일한 이유에 의하여, 하우징 본체(3)와 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11)의 선팽창 계수의 차는 작을수록 바람직하며, 예를 들어 하우징 본체(3)와 정류통(9)을 동일한 원료로 제작하면 좋다. 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11)와 같이 시일하는 복수의 부재를 동일한 원료로 제작하는 것은 곤란한 경우에도, 압궤값 8 내지 30%의 범위에 해당하는 O링 압궤량(단위: ㎜ 등)의 절댓값 범위가 커지도록, 제1 시일재(15)와 제2 시일재(16)의 선 직경은 큰 편이 바람직하다. 단, O링의 선 직경이 크면 시일 성능은 향상되지만, 시일하는 복수의 부재에 접촉하는 면의 면적이 커지기 때문에 마찰력이 커져, 조립이나 분해 등의 조작성이 저하될 우려가 있다.

<카트리지식 중공사막 모듈의 여과 운전 방법>

본 실시 형태는 크로스 플로우 여과를 채용했지만, 원액을 전부 여과하는 전량 여과에 사용할 수도 있다. 본 실시 형태이면, 원액 유출구(8)를 폐지함으로써, 원액을 전부 여과하는 전량 여과를 행할 수도 있는 이점이 있다. 또한 원액 유입구(6)로부터 에어를 공급함으로써 에어 스크러빙을 행하여, 중공사막을 요동시키면서 세정을 행하는 것도 가능하여, 중공사막 카트리지의 재생 효율이 좋다. 이 경우, 유입된 에어는 원액 유출구(8)로부터 배출된다. 또한 여과액 출구(7)로부터 역압 세정액을 공급하고, 중공사막의 내측으로부터 외측으로 액을 투과시킴으로써, 중공사막의 역압 세정을 행할 수도 있다.

<카트리지식 중공사막 모듈의 증기 멸균 방법>

카트리지식 중공사막 모듈을 발효 등의 용도에 사용하는 경우, 증기 멸균이 필요해진다. 증기 멸균에서 발생하는 스팀 드레인의 배출을 위하여, 통상, 배관의 상측 방향으로부터 하측 방향을 향하여 증기를 공급한다. 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 원수측의 영역을 증기 멸균하는 경우, 원액 유출구(8)로부터 증기를 공급하고, 원액 유입구(6)로부터 스팀 드레인을 배출하면 된다. 또한 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 여과액측의 영역을 증기 멸균하는 경우, 여과액 출구(7)로부터 증기를 공급할 수도 있고, 원액 유출구(8)로부터 증기를 공급하여 중공사막(1)을 투과시켜, 모듈의 여과액측에 증기를 공급할 수도 있다. 발생한 스팀 드레인은 원액 유입구(6)로부터 배출된다. 이때 제2 집속 고정부에 형성된 관통 구멍(14)은 스팀 드레인의 배출구 역할도 한다.

(제2 실시 형태)

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈(101B)의 구성에 대하여, 도 28 및 도 29을 참조하면서 설명한다.

도 28은 제2 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈(101B)의 제1 집속 고정부(11) 부근의 개략 종단면도이다. 제1 실시 형태와 달리, 정류통(통형 케이스)(9B)의 내주와 제1 집속 고정부(11)의 외주가 접착 고정되는 형태이다. 제1 실시 형태와 달리, 온수 살균이나 가스 멸균 등, 원액측과 여과액측에 누설이 발생하는 과도한 박리가 발생하지 않는 범위에서의 사용 환경 하에 사용할 수 있다. 또한 이하에서 언급하지 않는 카트리지식 중공사막 모듈(101B)의 구성에 대해서는, 제1 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈(101)과 마찬가지의 구조를 적용 가능하다. 제1 실시 형태에서 설명한 부재와 마찬가지의 기능을 갖는 부재에 대해서는, 동일한 부호를 붙이고 그의 설명을 생략한다.

제2 실시 형태에서는, 정류통(9B)과 제1 집속 고정부(11)가 접착되어 있기 때문에, 중공사막 카트리지(100B)(도 29)에 정류통(9B)을 포함한다. 따라서 탈착하는 중공사막 카트리지(100B)의 최외부를 갖는 정류통(9B)과 하우징인 하우징 본체(3) 사이를, 시일재(36)를 적어도 하우징 본체(3)의 축 방향으로 압축하는 구조로 하였다. 시일재(36)를 하우징 본체(3)의 직경 방향으로 압축하는 구조에서는, 중공사막 카트리지(100B)를 착탈할 때 접동 마찰 저항이 발생하지만, 본 실시 형태에서는, 하우징 본체(3)의 가상 축 방향으로 압축하는 구조로 했기 때문에, 중공사막 카트리지(100B)를 착탈할 때 발생하는 접동 마찰 저항이 작아, 용이하게 조작할 수 있는 이점이 있다. 이 경우, 시일재(36)를 받는 면에 경사를 두면, 스팀 드레인의 배출성을 높일 수 있다.

(제3 실시 형태)

본 발명의 제3 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈(101C)의 구성에 대하여, 도 30 및 도 31을 참조하면서 설명한다.

도 30은 제3 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈(101C)의 제1 집속 고정부(11C) 부근의 개략 종단면도이다. 제1 실시 형태와 달리, 정류통(9)을 구비하지 않는 형태이다. 이하에서 언급하지 않는 카트리지식 중공사막 모듈(101C)의 구성에 대해서는, 제1 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈(101)과 마찬가지의 구조를 적용 가능하다. 제1 실시 형태에서 설명한 부재와 마찬가지의 기능을 갖는 부재에 대해서는, 동일한 부호를 붙이고 그의 설명을 생략한다.

제3 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈(101C)은 정류통(9)을 구비하지 않는 것 이외에는 제1 실시 형태의 모듈(101)과 거의 동일한 구성이다. 따라서 탈착하는 중공사막 카트리지(100C)의 최외부를 갖는 제1 집속 고정부(11C)와 하우징인 하우징 본체(3) 사이를, 시일재(37)를 적어도 하우징 본체(3)의 가상 축 방향으로 압축하는 구조로 하였다. 시일재(37)를 하우징 본체(3)의 직경 방향으로 압축하는 구조에서는, 중공사막 카트리지(100C)를 착탈할 때 접동 마찰 저항이 발생하지만, 본 실시 형태에서는 하우징 본체(3)의 축 방향으로 압축하는 구조로 했기 때문에, 중공사막 카트리지(100C)를 착탈할 때 발생하는 접동 마찰 저항이 작아, 용이하게 조작할 수 있는 이점이 있다. 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 시일재(37)를 받는 면에 경사를 두면, 스팀 드레인의 배출성을 높일 수 있다.

(제4 실시 형태)

제4 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈의 구성에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 34는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈의 개략 종단면도이며, 도 35는 중공사막 카트리지의 개략 단면도이다.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 카트리지식 중공사막 모듈은 하우징과, 상기 하우징 내에 수용된 복수의 중공사막과, 상기 중공사막의 제1 단부를 개구시킨 상태에서 집속하는 제1 포팅부와, 상기 중공사막의 제2 단부를 밀봉한 상태에서 집속하는 제2 포팅부와, 상기 제1 포팅부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 고정부와, 상기 제1 포팅부와 상기 하우징 사이를 액밀하게 밀봉하는 시일부와, 상기 제2 포팅부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게, 또한 상기 제2 포팅부와 상기 하우징과의 사이를 통액 가능하게 유지하는 유지부를 구비하고 있다.

이와 같은 구조의 중공사막 모듈을 채용함으로써, 상기 제2 포팅부에 있어서, 증기 멸균 시의 스팀 드레인의 배출성이 더욱 양호해지는 것, 탁질(濁質)의 퇴적이 억제되는 것, 또한 중공사막 다발 자체가 요동함으로써 중공사막 다발에도 탁질이 퇴적되기 어려운 것 등의 장점이 있다. 여기서, 상기 제2 포팅부가 크로스 플로우 여과 시에 부상할 때, 중공사막 다발(2)은 느슨함을 갖는 상태로부터 더욱 느슨함이 커지는데, 본원과 같이 정류통 내면과 중공사막 다발의 존재 영역의 최외경과의 간극을 가짐으로써, 중공사막(1)이 정류 구멍(10)을 폐색하는 등의 문제를 방지할 수 있다.

이하, 실시 형태로서 나타내는 중공사막 모듈은 모두 외압식이다. 여기서 외압식이란, 중공사막의 외측으로부터 원수를 공급하고, 중공사막의 내측(중공부측)을 향하여 여과를 행하는 여과 방식이다.

<하우징>

하우징은 중공사막 카트리지(100)를 내부에 설치시키는 것이며, 중공형의 하우징 본체(3)와, 하우징 본체(3)의 양 단부에 설치된 상부 캡(4)과 하부 캡(5)으로 구성되어 있다.

도 34에 도시한 바와 같이, 하우징 본체(3)의 상부에는, 여과액 출구(211)를 갖는 상부 캡(4)이, 하우징 본체(3)의 하부에는, 원액 유입구(210)를 갖는 하부 캡(5)이 각각 액밀하고도 기밀하게 접속되어 있다. 상부 캡(4)과 하부 캡(5)을 하우징 본체(3)에 접속하는 방법으로서는, 예를 들어 도 34에 도시한 바와 같이, 개스킷(216)을 사용하고 클램프 등으로 고정하는 방법을 들 수 있다.

하우징 본체(3)는 그의 상단부 및 하단부에 하우징 본체(3)의 전체 둘레에 걸쳐 플랜지부(3C, 3D)를 갖고 있다. 또한 하우징 본체(3)의 측부에는, 여과액 출구(211) 가까이에 원수 출구(212)가 형성되어 있다.

상부 캡(4)은 하우징 본체(3)의 내경과 대략 동등한 내경을 가지며, 그의 상단부측이 직경 축소되어, 여과액 출구(211)를 형성하고 있다. 상부 캡(4)의 하단부측에는, 하우징 본체(3)와 접속했을 때 홈을 형성하기 위한 단차부(204A)가 상부 캡(4)의 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 하우징 본체(3)와 상부 캡(4)을 접속했을 때, 상부 캡(4)의 하단부가 하우징 본체(3)의 플랜지부(3C)와 접촉하여 홈(고정부)이 형성되고, 이 홈(고정부)에 의하여 후술하는 제1 포팅부(25)의 플랜지부(207A)를 고정한다.

하부 캡(5)은 하우징 본체(3)의 내경과 대략 동등한 내경을 가지며, 그의 하단부측이 직경 축소되어, 원액 유입구(210)를 형성하고 있다. 하부 캡(5)의 상단부측에는, 하우징 본체(3)와 접속했을 때 오목부를 형성하기 위한 단차부(205A)가 복수 개소(제1 실시 형태에서는 4개소)에 간격을 두고 형성되어 있다. 하우징 본체(3)와 하부 캡(5)이 접속되면, 하부 캡(5)의 상단부가 하우징 본체(3)의 플랜지부(3D)와 접촉함으로써, 하부 캡(5)의 상면과 하우징 본체(3)의 플랜지부(3D)의 하면 사이에 제1 유지 홈(217)이 형성된다. 이 제1 유지 홈(217)에는 핀(유지부)(218)이 삽입된다.

<중공사막 모듈>

카트리지식 중공사막 모듈(101D)은 하우징 내에 도 35에 도시하는 중공사막 카트리지(100)를 장착한다. 중공사막 카트리지(100)는 복수의 중공사막(1)을 구비하며, 하우징의 여과액 출구(211)측에 배치되는 제1 포팅부(25)와 하우징의 원액 유입구(210)측에 배치되는 제2 포팅부(26)를 갖고 있다. 제1 포팅부(25), 제2 포팅부(26)는 각각, 제1 내지 제3 실시 형태의 집속 고정부(11), 제2 집속 고정부(12)에 상당한다.

<제1 포팅부>

하우징의 여과액 출구(211)측에 배치되는 중공사막 카트리지(100)의 상단부측인 제1 포팅부(25)는, 다수 개의 중공사막(1)으로 이루어지는 중공사막 다발(2)의 제1 단부를 접착제 등으로 접착하여 제1 접착부(206)를 형성하고, 제1 접착부(206)를 제1 단부 케이스(207)에 수납하여 구성되어 있다. 여기서, 중공사막 다발(2)은 중공사막(1)의 상방 단부면이 개구된 상태에서 집속되어 있다. 제1 단부 케이스(207)는 원통형이며, 그의 상단부에는 제1 단부 케이스(207)의 전체 둘레에 걸쳐 플랜지부(207A)를 갖고 있다. 제1 단부 케이스(207)의 플랜지부(207A)를, 하우징 본체(3)와 상부 캡(4)을 접속시켰을 때 형성된 홈(고정부)에 삽입함으로써, 제1 포팅부(25)는 하우징 본체(3)의 상단부에 액밀하고도 기밀하게 고정된다.

중공사막(1)의 외측으로부터 공급된 원수는 중공사막(1)을 투과하고, 투과한 여과액은 중공사막(1)의 중공부를 통과하여 해당 중공사막(1)의 개구부로부터 배출된다.

<정류통>

제1 단부 케이스(207)에는, 그의 하측(즉, 원액 유입구(210)측)에 축 방향으로 연장되는 복수의 슬릿을 갖는 통형의 정류통(214)이 설치되어 있다. 정류통(214)은 슬릿 부분으로부터 통액할 수 있다. 정류통(214)은 처리 원수의 편류를 방지할 목적으로, 하우징의 원수 출구(212) 주변에 설치된다. 카트리지식 중공사막 모듈(101D)을 증기 멸균하는 경우, 정류통에 대해서도 스팀 드레인의 체류를 방지하기 때문에, 하우징 본체(3)와의 사이에 스팀 드레인 배출을 위한 간극을 형성하는 것이 바람직하다.

<제2 포팅부>

하우징의 원액 유입구(210)측에는, 중공사막 카트리지(100)의 하단부측인 제2 포팅부(26)가 배치되어 있다. 중공사막(1)의 제2 단부가 위치하는 제2 포팅부(26)는, 다수 개의 중공사막(1)으로 이루어지는 중공사막 다발(2)을 접착제 등으로 접착하여 제2 접착부(208)를 형성하고, 제2 접착부(208)를 제2 단부 케이스(209)에 수납하여 구성되어 있다. 여기서, 중공사막(1)의 중공부는 접착제로 밀봉되어 개구되지 않은 상태가 되어 있다. 제2 단부 케이스(209)는 하방에 저부를 갖는 원통형이며, 그 외경은 하우징의 내경보다 작게 구성되어 있다. 또한 제2 단부 케이스(209)의 저부에는 관통 구멍(213)을 갖고 있으며, 원수의 유로 역할을 담당하고 있다. 제2 단부 케이스(209)는 제1 내지 제3 실시 형태의 제2 집속부 고정 케이스(13)에 상당한다.

본 실시 형태의 카트리지식 중공사막 모듈은 유지부에 의하여 제2 포팅부(26)를 유지하여, 크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시에 중공사막의 부상을 억제할 수 있다.

제2 단부 케이스(209)에는, 그 외주면에, 하우징에 형성된 제1 유지 홈(217)에 대향하는 위치에 오목형의 제2 유지 홈(219)이 형성되어 있다(도 37 참조). 하우징에는 제1 유지 홈(217)이 형성되어 있기 때문에, 제2 유지 홈(219)을 제1 유지 홈(217)과 대향시켰을 때 형성되는 공간에 유지부로서 핀(218)을 삽입할 수 있다(도 38 참조). 이와 같이 구성함으로써, 핀(218)이 제2 단부 케이스(209)의 위치를 일정한 범위 내에 유지하기 때문에, 크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시에 중공사막의 부상을 억제할 수 있다.

본 실시 형태에서는 제2 단부 케이스(209)를 사용하고 있지만, 반드시 제2 단부 케이스(209)를 사용할 필요는 없으며, 제2 접착부(208)만으로 제2 포팅부(26)를 형성시킬 수도 있다. 이 경우, 제2 접착부(208)의 외주면에 제2 유지 홈(219)을 형성시킨다.

<핀의 구성>

핀(218)은 도 38에 도시한 바와 같이, 중공사막 카트리지(100)측에 배치되는 핀 내측 상면(218A)과 핀 내측 하면(218B)과, 하우징측에 배치되는 핀 외측 상면(218C)과 핀 외측 하면(218D)을 갖고 있다.

핀 내측 상면(218A)은 선단부를 향하여 하강하는 경사면을 갖고 있다. 핀 내측 하면(218B)과 핀 외측 상면(218C)은 제2 유지 홈(219)의 저면(저부)(219B)과 제1 유지 홈(217)의 천장면(천장부)(217A)과 각각 평행인 평탄면을 갖고 있다. 그리고 핀 외측 하면(218D)은 선단부가 직경 축소된 예각형으로 형성되어 있다.

<중공사막 카트리지(100)의 하우징에의 설치>

중공사막 카트리지(100)를 하우징에 장착할 때는, 먼저 중공사막 카트리지(100)를 하우징 본체(3)에 삽입하고, 하우징 본체(3)의 플랜지부(3C)의 상면에 제1 포팅부(25)의 제1 단부 케이스(207)의 플랜지부(207A)를 유지시킨다. 다음으로, 상부 캡(4)의 하단부를, 개스킷(216)을 개재하여 하우징 본체(3)의 플랜지부(3C)에 접촉시키고, 클램프 등으로 고정한다.

계속해서, 중공사막 카트리지(100)의 제2 포팅부(26)의 제2 단부 케이스(209)의 제2 유지 홈(219)에 핀(218)을 삽입하고, 하부 캡(5)을 접속한다. 접속 방법은 상부 캡(4)과 마찬가지이며, 하부 캡(5)의 상단부를, 개스킷(216)을 개재하여 하우징 본체(3)의 플랜지부(3D)에 접촉시키고, 클램프 등으로 고정한다.

이와 같이 하여 조립된 카트리지식 중공사막 모듈(101D)은 핀(218)이 하우징의 제1 유지 홈(217)과 제2 포팅부(26)의 제2 단부 케이스(209)의 제2 유지 홈(219)으로 형성된 공간에 삽입되기 때문에, 제2 포팅부(26)를 유지할 수 있다(도 38 참조). 유지 개소가 1개소뿐이면, 크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시의 수압에 의하여 핀(218)이 탈락하기 쉬워지기 때문에, 핀(218)은 2개소 이상 설치되는 것이 바람직하다(본 실시 형태에서는 4개소).

<시일부>

카트리지식 중공사막 모듈(101D)에서는, 제1 포팅부(25)와 하우징 사이에 시일부가 설치되어 있음으로써, 원수측과 여과액측이 액밀하고도 기밀하게 분리된다. 도 34에 도시한 바와 같이, 제1 포팅부(25)와 하우징 본체(3) 사이에 O링(215) 또는 개스킷 등의 시일재를 설치함으로써, 원수측과 여과액측을 액밀하고도 기밀하게 분리할 수 있다. O링이나 개스킷의 재료는 특별히 한정되지 않지만, 내열성이 우수하고, 산, 알칼리, 염소 등에 대한 내성도 강한 재료이면 보다 바람직하게 사용된다. 재료의 예로서는, 불소 고무, 실리콘 고무, 에틸렌프로필렌디엔 고무(EPDM) 등을 들 수 있다.

또한 카트리지식 중공사막 모듈(101D)을 증기 멸균하는 경우, 원수 출구(212)로부터 증기가 공급되고, 발생한 스팀 드레인은 원액 유입구(210)로부터 배출되지만, 모듈 상부에 상향의 공간이 있으면, 공기가 체류하여 충분히 승온되지 않아 멸균 불량이 되는 경우가 있다. 그 때문에, 도면에 도시한 바와 같이 제1 포팅부(25)와 하우징 본체(3) 사이에 O링(215)을 설치하여, 증기의 공급부보다 상향의 공간을 적게 하는 것이 바람직하다.

<제2 포팅부와 하우징의 간극>

도 36은 도 1의 A-A 선 단면도이다.

카트리지식 중공사막 모듈(101D)을 증기 멸균하는 경우, 도 34, 도 36에 도시한 바와 같이, 제2 포팅부(26)와 하우징(즉, 하우징 본체(3)와 하부 캡(5)) 사이에 간극(224)을 형성하는 것이 바람직하다. 간극(224)을 형성함으로써 제2 포팅부(26)와 하우징 사이를 통액 가능하게 할 수 있으며, 증기 멸균 시에 발생한 스팀 드레인은 이 간극(224)으로부터 배출할 수 있다. 간극(224)은 제2 단부 케이스(209)의 외경과 하우징의 내경을 조정함으로써 원하는 간격으로 할 수 있다. 스팀 드레인의 배출성을 향상시키기 위하여, 간극(224)은 모듈의 직경 방향으로 1㎜ 이상 형성하는 것이 바람직하며, 2㎜ 이상이 더욱 바람직하다. 또한 간극(224)이 크면, 크로스 플로우 여과 시에 간극(224)을 통과하는 유량이 많아지고, 중공사막 모듈의 직경 방향의 중앙부 부근을 통과하는 유량이 적어지기 때문에, 크로스 플로우에 의한 막의 세정 효율이 저하된다. 따라서 간극은 10㎜ 이하인 것이 바람직하고, 5㎜ 이하가 보다 바람직하다. 제2 포팅부(26)와 하부 캡(5) 사이에 O링 등의 시일재를 설치하여 제2 포팅부(26)와 하부 캡(5) 사이를 액밀하게 시일하면, 시일재의 상부에 스팀 드레인이 체류하여 충분히 승온되지 않아 멸균 불량이 되는 경우가 있기 때문에, 바람직하지 않다.

<카트리지식 중공사막 모듈의 크로스 플로우 여과 방법>

원수는 하부 캡(5)의 원액 유입구(210)로부터 카트리지식 중공사막 모듈(101D) 내로 유입되고, 중공사막(1)을 투과하지 않은 원수는 원수 출구(212)로부터 카트리지식 중공사막 모듈(101D)의 외부로 배출된다. 중공사막(1)의 외측으로부터 내측으로 투과한 여과액은 중공사막(1)의 중공부를 통과하여 상부 캡(4)의 여과액 출구(211)로부터 카트리지식 중공사막 모듈(101D)의 외부로 배출된다.

이와 같이 막면에 대하여 원수를 평행하게 흐르게 하면서 여과하는 방식을 크로스 플로우 여과라 칭하며, 원수 중의 현탁 물질 등이 막면에 퇴적되는 것을 억제하는 효과가 있다. 또한 원수 출구(212)를 폐지하면, 원수를 전부 여과하는 전량 여과를 행할 수도 있다. 또한 원액 유입구(210)로부터 에어를 공급함으로써 에어 스크러빙을 행하여, 중공사막의 세정을 행할 수도 있다. 유입된 에어는 원수 출구(212)로부터 배출된다.

<카트리지식 중공사막 모듈의 증기 멸균 방법>

또한 카트리지식 중공사막 모듈을 발효 등의 용도에 사용하는 경우, 증기 멸균이 필요해진다. 증기 멸균에서는, 발생하는 스팀 드레인의 배출을 위하여, 통상, 배관의 상측 방향으로부터 하측 방향을 향하여 증기를 공급한다. 카트리지식 중공사막 모듈(101D)의 원수측의 영역을 증기 멸균하는 경우, 원수 출구(212)로부터 증기를 공급하고, 원액 유입구(210)로부터 스팀 드레인을 배출하면 된다. 또한 카트리지식 중공사막 모듈(101D)의 여과액측의 영역을 증기 멸균하는 경우, 여과액 출구(211)로부터 증기를 공급하고, 원액 유입구(210)로부터 스팀 드레인을 배출하면 된다. 이때 제2 단부에 형성된 관통 구멍(213)은 스팀 드레인의 배출구 역할도 한다.

<제2 포팅부 부상 시의 면 접촉에 의한 유지>

도 39는, 카트리지식 중공사막 모듈(101D)의 제2 단부 케이스(209) 부근의 확대도이다. 도 39에서는, 크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시에 제2 포팅부(26)가 부상했을 경우(상방 이동했을 경우)의 구조를 도시하고 있다.

크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시에 하우징의 원액 유입구(210)로부터 원수 또는 에어가 유입되면, 제2 포팅부(26)는, 도 39에 도시한 바와 같이, 상측 방향(X 방향)으로 부상한다. 이때, 핀(218)의 핀 내측 하면(218B)과 제2 단부 케이스(209)의 제2 유지 홈(219)의 저면(저부)(219B)이 서로 면(面) 접촉하고, 핀(218)의 핀 외측 상면(218C)과 하우징의 제1 유지 홈(217)의 천장면(천장부)(217A)이 면 접촉한다. 이것에 의하여, 제2 포팅부(26)의 상측 방향으로의 이동이 규제된다.

선 접촉과 비교하면 면 접촉 쪽이 부재에 가해지는 부담이 경감되기 때문에, 크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시에 제2 포팅부(26)가 부상했을 때는, 핀 내측 하면(218B)과 제2 유지 홈(219)의 저면(219B), 및 핀 외측 상면(218C)과 제1 유지 홈(217)의 천장면(217A)을 각각 면 접촉시켜 제2 포팅부(26)를 유지하는 것이 바람직하다. 여기서 면 접촉이란, 2개의 물체의 접촉 부분이 평면이 되는 접촉이다. 한편 선 접촉이란, 2개의 물체의 접촉 부분이 하나의 선이 되는 접촉이다.

이와 같이 구성함으로써, 제1 유지 홈(217)의 천장면(217A)에 접촉한 핀(218)이, 한편으로는 제2 유지 홈(219)의 저면(219B)에 걸림 정지되므로, 제2 포팅부(26)의 이동이 정지되어 막의 부상을 억제할 수 있다.

<선 접촉에 의한 증기 멸균성 향상>

도 40은 카트리지식 중공사막 모듈(101D)의 제2 단부 케이스(209) 부근의 확대도이다. 도 40에서는, 증기 멸균 시에 제2 포팅부(26)가 하강했을 경우(하방 이동했을 경우)에 핀(218)으로 제2 포팅부(26)를 지지하는 경우의 구조를 도시하고 있다. 제2 포팅부(26)가 하강하면, 중공사막이 인장되어 파단되는 경우가 있기 때문에, 제2 포팅부(26)를 지지하여 하강을 방지하는 것이 바람직하다.

증기 멸균 시, 하우징의 원수 출구(212)로부터 증기가 공급되면, 제2 포팅부(26)는, 도 40에 도시한 바와 같이 하측 방향(Y 방향)으로 이동한다. 이때, 핀(218)의 핀 내측 상면(218A)이, 제2 단부 케이스(209)의 제2 유지 홈(219)의 천장면(천장부)(219A)과 선 접촉하고, 핀(218)의 핀 외측 하면(218D)이, 하우징의 제1 유지 홈(217)의 저면(저부)(217B)와 선 접촉한다. 이것에 의하여, 제2 포팅부(26)의 하측 방향으로의 이동이 규제된다.

카트리지식 중공사막 모듈(101D)을 증기 멸균할 때는, 멸균성을 향상시키기 위하여 접촉면을 적게 하여, 증기가 진입하기 위한 간극을 형성하는 것이 바람직하다. 도 40과 같이, 핀 내측 상면(218A)과 제2 유지 홈(219)의 천장면(219A), 또한 핀 외측 하면(218D)과 제1 유지 홈(217)의 저면(217B)을 선 접촉 가능한 구조로 하면, 접촉면을 적게 하여, 증기가 진입하기 위한 간극을 확보할 수 있다.

이와 같이 구성함으로써, 제2 유지 홈(219)의 천장면(219A)에 접촉한 핀(218)이, 한편으로는 제1 유지 홈(217)의 저면(217B)에 걸림 정지되므로, 제2 포팅부(26)의 이동이 정지되어 막의 하강을 억제할 수 있다.

도 40의 구조 외에, 제2 유지 홈(219)의 천장면(219A)에 경사를 둠으로써 핀 내측 상면(218A)과 선 접촉시킬 수도 있다. 또한 제1 유지 홈(217)의 저면(217B)에 경사를 둠으로써 핀 외측 하면(218D)과 선 접촉시킬 수도 있다.

또한 도 41, 도 42는, 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 제2 단부 케이스(209) 부근의 다른 형태의 확대도이다. 도 41에서는, 크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시에 제2 포팅부(26)가 부상했을 경우(상방 이동했을 경우)의 구조를 도시하고 있다. 크로스 플로우 여과 시나 에어 스크러빙 시에 하우징의 원액 유입구(210)로부터 원수 또는 에어가 유입되면, 제2 포팅부(26)는 도 41에 도시한 바와 같이, 상측 방향(X 방향)으로 부상한다. 이때, 핀(218)의 핀 내측 하면(218B)과 제2 단부 케이스(209)의 일부 면이 서로 면 접촉하고, 핀(218)의 핀 외측 상면(218C)과 하우징의 제1 유지 홈(217)의 천장면(천장부)(217A)이 면 접촉한다. 이것에 의하여, 제2 포팅부(26)의 상측 방향으로의 이동이 규제된다.

도 42는, 카트리지식 중공사막 모듈(101)의 제2 단부 케이스(209) 부근의 다른 형태의 확대도이다. 도 42에서는, 증기 멸균 시에 제2 포팅부(26)가 하강했을 경우(하방 이동했을 경우), 제1 포팅부(25)로 중공사막 및 제2 포팅부를 지지하는 상태가 된다. 중공사막이, 중공사막 자체와 제2 포팅부를 지지하는 강도를 갖고 있는 경우에는, 이와 같은 형태를 채용할 수도 있다.

<유지 홈의 길이, 간극>

본 발명에 있어서, 제1 유지 홈(217) 및 제2 유지 홈(219)의 모듈 직경 방향의 길이는 1㎜ 이상 20㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 길이가 1㎜ 미만이면, 제2 포팅부의 유지가 곤란해진다. 또한 길이가 20㎜보다 크면, 모듈의 증기 멸균 시에 스팀 드레인이 체류하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 카트리지식 중공사막 모듈을 증기 멸균하는 경우, 유지부 부분의 구조는, 증기가 침입하기 쉽고 스팀 드레인이 체류하기 어려운 구조로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 카트리지식 중공사막 모듈(101D)을 증기 멸균하는 경우, 핀(218)과 제2 단부 케이스(209) 사이, 핀(218)과 하부 캡(205) 사이, 또한 핀(218)과 개스킷(216) 사이에 간극을 형성하는 것이 바람직하다. 모듈의 직경 방향 및 축 방향으로 간극을 형성함으로써, 증기가 진입하기 쉬워져 멸균성을 향상시킬 수 있다.

<중공사막 만곡>

또한 모듈 내가 액체로 채워져 있지 않은 경우, 중공사막의 강도가 낮으면, 제2 접착부(208)나 제2 단부 케이스(209)의 하중에 의하여 중공사막(1)이 파단되는 경우가 있다. 따라서 여과 운전에 사용할 때 이외에는, 유지부로 제2 포팅부(26)를 지지하는 것이 바람직하다.

제2 포팅부(26)를 지지하기 위해서는, 핀(218)의 핀 내측 상면(218A)이 제2 유지 홈(219)의 천장면(219A)에 접촉하고, 또한 핀(218)의 핀 외측 하면(218D)이 제1 유지 홈(217)의 저면(217B)에 접촉하고 있을 필요가 있다. 미리 중공사막을 약간 길게 하여 중공사막 카트리지(100)를 제작하고, 하부 캡(5)을 접속할 때 중공사막을 압입하여 중공사막이 만곡된 상태에서 고정하면, 중공사막(1)의 탄성에 의하여 제2 포팅부(26)가 모듈 하측 방향으로 가압되어, 핀 내측 상면(218A)이 제2 유지 홈(219)의 천장면(219A)에 접촉하고, 또한 핀 외측 하면(218D)이 제1 유지 홈(217)의 저면(217B)에 접촉하기 때문에, 제2 포팅부(26)를 지지할 수 있다. 여기서 중공사막(1)을 압입하는 길이는, 중공사막의 원래의 길이의 0.3% 이상 5% 이하로 하는 것이 바람직하다. 0.3% 미만이면, 압입 길이가 부족하여 제2 포팅부(26)를 지지할 수 없을 가능성이 있다. 또한 5%를 초과하면, 막이 절곡되어 손상될 가능성이 있다.

(그 외의 실시 형태)

제1 실시 형태에서는, 정류통(9)을 하우징 본체(3)에 장착한 채 중공사막 카트리지(100)만을 교환하는 빈도가 높은 것을 전제로 하여, 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이는, 제1 시일재(15)를 하우징 본체(3)의 직경 방향(도 1에서 말하는 수평 방향)으로 압축하여, 중공사막 카트리지(100)의 탈착 시에 접동 마찰이 발생하는 시일 구조로 하고, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이는, 제2 시일재(16)를 적어도 하우징 본체(3)의 가상 축 방향(도 1에서 말하는 상하 방향)으로 압축하여, 중공사막 카트리지(100)의 착탈 시에 발생하는 접동 마찰 저항이 작아 용이하게 착탈 가능한 시일 구조로 하였다.

제1 실시 형태에 있어서, 중공사막 카트리지(100)를 교환할 때, 중공사막 카트리지(100)와 동시에 정류통(9)을 취출하는 것이 바람직한 중공사막 모듈이면, 도 32와 같이 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이는, 제1 시일재(15)를 적어도 하우징 본체(3)의 가상 축 방향으로 압축하는, 용이하게 착탈 가능한 시일 구조로 하고, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이는, 제2 시일재(16)를 하우징 본체(3)의 직경 방향으로 압축하여, 중공사막 카트리지(100)의 탈착 시에 접동 마찰이 발생하는 시일 구조로 하면 된다.

또한 제1 실시 형태에 있어서, 중공사막 카트리지(100)와 정류통(9)의 양쪽을 동일한 빈도로 탈착하는 경우에는, 제1 시일재(15)와 제2 시일재(16)의 양쪽을 하우징 본체(3)의 축 방향으로 압축하여 시일하는 구조로 하면, 중공사막 카트리지(100)와 정류통(9)을 각각 용이하게 착탈할 수 있는 이점이 있다. 이 경우에도, 도 33과 같이 제1 시일재(15)를 받는 면의 수평 방향과의 경사 α와, 제2 시일재(16)를 받는 면의 수평 방향과의 경사 β를 변화시킴으로써, 중공사막 카트리지(100)만을 취출하기 쉬운 구조, 또는 중공사막 카트리지(100)와 동시에 정류통(9)을 취출하기 쉬운 구조를 만들 수 있다. 예를 들어 제1 시일재(15)와 제2 시일재(16)가 동일한 선 직경의 단면을 갖는 동일한 재질이고, 같은 경도의 시일재이며, 동일한 압궤율로 시일을 행하는 경우에는, 도 33과 같이 시일재를 받는 면의 각도가 α<β의 관계에 있으면, 중공사막 카트리지(100)의 탈착 시에 제1 시일재(15)에 발생하는 접동 마찰력 A와 제2 시일재(16)에 발생하는 접동 마찰력 B의 관계가 A<B가 되고, 중공사막 카트리지(100)만 보다 우선적으로, 중공사막 카트리지(100)와 정류통(9)을 동시에 취출하기 쉬운 형상으로 할 수 있다.

상술한 바와 같이 탈착하는 부재나 빈도에 맞추어, 시일재의 압축 방향이나 시일재를 받는 면의 경사 각도를 선정함으로써, 착탈의 조작성을 높일 수 있다. 시일재를 받는 면에 경사를 줌으로써, 여과액이나, 멸균 시 및 세정 시의 드레인도 인발하기 쉬워, 카트리지식 중공사 모듈의 내부를 보다 위생적으로 유지할 수 있다.

상술한 실시 형태에 따르면, O링 홈(31)의 위치를 정류통(9)의 외주에 있어서의 상방으로 했지만, 중앙보다 하방에 배치할 수도 있으며, 높이에 제한은 없다. 하우징 본체(3)와 정류통(9)을 제1 시일재(15)로 시일하고 있기 때문에, 제1 시일재(15)보다 상방의 정류 구멍(10)은 기능하지 않으며, O링 홈(31)은 상방에 있는 편이 정류통(9)을 효율적으로 사용할 수 있기 때문에 바람직하다.

상술한 실시 형태에 따르면, 정류통(9)의 외주에 O링 홈(31)을 형성하고, 제1 시일재(15)를 정류통(9)에 안에서 끼워 장착하여, 카트리지식 중공사막 모듈(101)을 조립했지만, 하우징 본체(3)의 내주측에 제1 시일재(15)를 밖에서 끼워 장착할 수도 있다. 정류통(9)에 안에서 끼워 제1 시일재(15)를 장착하고 있기 때문에, 하우징 본체(3)에 밖에서 끼우기 위한 O링 홈(31)을 형성했을 경우와 비교하여, 정류통(9)을 하우징 본체(3)로부터 인발함으로써 O링 홈(31)을 하우징(30)의 외부에 노출시켜, 청소나 세정을 용이하게 실시할 수 있다는 이점이 있다.

상술한 실시 형태에 따르면, 제1 집속 고정부(11)에 제2 시일재(16)를 장착하여 카트리지식 중공사막 모듈(101)을 조립했지만, 제2 시일재(16)를 정류통(9)에 먼저 장착하고, 그런 후에 카트리지식 중공사막 모듈(101)을 삽입함으로써 제2 시일재(16)에 의한 시일을 형성할 수도 있다. 중공사막 카트리지(100)의 교환 작업 시에, 제1 집속 고정부(11)에 안에서 끼워 제2 시일재(16)를 장착하고 있기 때문에, 중공사막 카트리지(100)를 하우징(30)으로부터 인발하면 제2 시일재(16)를 하우징(30)의 내부에 떨어뜨리지 않고 확실히 취출할 수 있으며, 하우징(30)의 외부에 제2 시일재(16)를 노출시켜 청소나 세정을 용이하게 실시할 수 있는 이점이 있다.

상술한 실시 형태에 따르면, 하우징(30)을, 하우징 본체(3)와 상부 캡(4)과 하부 캡(5)의 3부재로 구성했지만, 예를 들어 하우징 본체(3)를 복수의 부재로 구성하는 등 적절히 분할한 구성으로 할 수도 있다. 상술한 실시 형태의 하우징 본체(3)에 있어서의 소경부를 도 16과 같이 분할하면, 하우징 본체(3)의 측면에 형성하는 원액 유출구(8)의 형성 가공성을 향상시킬 수 있고, 또한 대형 재료가 불필요하며, 범용 파이프 재료를 사용하여 가공할 수 있는 등, 저렴하게 제작할 수 있는 이점이 있어 바람직하다.

상술한 실시 형태에 따르면, 제1 집속 고정부(11) 상단부면의 개스킷용 홈(17)에 대하여 홈의 내주를 따라 개스킷(18)을 장착했지만, 홈의 외주를 따른 장착 구조를 채용할 수도 있다. 예를 들어 O링의 경우, 상술한 실시 형태와 같이 저액부(34)에 내압이 가해질 때는, 홈의 외주를 따른 장착 구조를 채용한다. 위로부터 상부 캡(4)을 가압하여 개스킷(18)을 압축함으로써 저액부(34)를 액밀하게 하고 있지만, 저액부(34)의 증기 멸균 후, 저액부(34)의 하방에 위치하는 개스킷용 홈(17)에 증기가 냉각된 스팀 드레인이 체류할 우려가 있다. 개스킷(18)을 개스킷용 홈(17)의 내주를 따라 장착했을 경우, 스팀 드레인이 체류하는 홈 폭을 작게 할 수 있다. 개스킷용 홈(17)의 폭은 개스킷(18)의 폭의 약 1.1배로 하였다. 저액부(34)의 내압에 의하여 개스킷(18)이 개스킷용 홈(17)의 외주측으로 가압되었을 경우에도 홈폭에 여유가 없기 때문에, 스팀 드레인의 체류량을 작게 유지할 수 있다.

상술한 실시 형태에 따르면, 하우징 본체(3)와 정류통(9) 사이, 및 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이는 O링으로, 제1 집속 고정부(11)와 상부 캡(4) 사이를 플랫 개스킷으로 시일했지만, 시일 가능한 구조이면 되며, 링형으로 한 V 패킹이나 갑산(甲山) 개스킷, 갑환(甲丸) 개스킷 등을 사용할 수도 있다. 또한 탄성을 갖는 성형품을 사용하는 등 하여, 부재의 감합으로 대용할 수도 있다. 나아가, 하우징 본체(3)와 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11)를 도 17과 같이 접착할 수도 있으며, 카트리지식에 한정되는 것은 아니다. 또한 제1 집속 고정부(11)와 정류통(9) 사이를 O링이나 개스킷 등 제2 시일재로 시일하고, 정류통(9)과 하우징 본체(3) 사이를 접착 고정이나 일체물로 형성하는 등, 시일재를 사용하지 않고 액밀하게 고정하는 구조로 할 수도 있다. 이 경우, 중공사막 다발(2)과 제1 집속 고정부(11)만을 용이하게 취출할 수 있기 때문에, 높은 빈도로 중공사막을 교환하는 경우에 바람직하다. 또한 상술한 실시 형태와 같이 정류통(9)과 하우징 본체(3) 사이를 제1 시일재로, 정류통(9)과 제1 집속 고정부(11) 사이를 제2 시일재로 액밀하게 하는 구조는, 중공사막 다발(2)과 제1 집속 고정부(11)의 교환 작업이 용이한 것 이외에, 정류통(9)과 하우징 본체(3) 사이의 청소가 용이한 것 등, 위생적으로 사용할 수 있는 이점이 있다.

제1 실시 형태에 따르면, 정류통(9)의 정류 구멍(10)이 존재하는 범위의 내경 D1보다 내경이 작은 소경부를 하우징 본체(3)에 설치했는데, 소경부가 정류 구멍(10)이 존재하는 범위보다 아래에 있으면, 중공사막(1)에 의한 정류 구멍(10)의 폐색을 회피할 수 있다. 본 실시 형태와 같이 소경부를 하우징 본체(3)에 설치하고, 정류통(9)을 짧게 대경부(3A)에만 수용되는 길이로 구성할 수도 있고, 도 18과 같이 정류통(9)의 정류 구멍(10)의 존재하는 범위보다 아래에 소경부(9G)를 설치할 수도 있다. 이 경우, 도 19와 같이, 하우징 본체(3)의 직경을 작게 하여 소경부(3B)를 설치하고, 하우징 본체(3)의 유로 면적을 저감시킬 수도 있다. 특히 크로스 플로우 여과에서는, 유로 면적이 크면 크로스 플로우 유량이 많아지는 등의 과제가 있기 때문에, 도 19보다 더욱 정류통(9)보다 아래의 위치에서, 하우징 본체(3)의 직경을, 정류통(9)의 소경부(9G)와 동일하거나, 또는 직경을 더욱 작게 하여 소경부(3B)를 설치할 수도 있다.

여기서 소경부(9G)에는, 중공사막(1)의 육안 관찰을 용이하게 하기 위하여, 중공사막(1)의 손상 위험성에 유의하여, 구멍이나 슬릿(도시하지 않음)을 형성할 수도 있다.

상술한 실시 형태에 따르면, 중공사막 다발(2)은 하방을 제2 집속 고정부로 밀봉했지만, 중공부의 개구 상태를 배제할 수 있으면 되며, 예를 들어 중공사막의 전체 개구에 실리콘 수지나 에폭시 수지, 우레탄 수지 등의 유동성이 좋고 경화되는 수지를 주입 폐색하면, 제2 집속 고정부로서, 중공사막(1)끼리를 고정할 필요는 없다. 동일한 이유에 의하여, 도 17, 도 18, 도 19와 같이 중공사막 다발(2)을 U자형으로 접고, 전체 개구를 제1 집속 고정부에 형성하는 구성일 수도 있다. 따라서 중공사막 다발 중 적어도 한쪽 단부, 즉, 적어도 제1 단부가 개구된 상태에서 중공사막 다발이 집속 고정된다는 것은 다음의 두 가지 상태 (ⅰ), (ⅱ)를 포함한다. (ⅰ) 제1 실시 형태 등과 같이 중공사막 다발(2)이 스트레이트인 경우로, 한쪽은 중공사막 다발(2)의 단부가 개구된 상태에서 집속 고정되고, 다른 한쪽은 중공사막 다발의 타단부가 폐쇄된 상태에서 집속 고정된 상태. (ⅱ) 도 17 내지 도 19와 같이 중공사막 다발(2)을 U자로 접어서 사용하는 경우로, 한쪽은 중공사막 다발(2)의 양 단부가 개구된 상태에서 집속 고정되고, 다른 한쪽은 중공사막의 U자 접힘부에 해당하는 상태.

제1 실시 형태에 따르면, 소경부(3B)의 내경 Di를 제2 집속 고정부 케이스(13)의 외경에 근사한 구조로 했지만, 소경부(3B)가 축 방향으로 분할 및 시일 가능한 구조 등이면, 제2 집속 고정부 케이스(13)의 외경보다 작게 하는 것도 가능하다.

도 21과 같이, 중공사막 존재 영역의 최외경과 정류통 내면의 간격 L1, 하우징에 설치한 측면의 노즐이 설치되어 있는 위치에 있어서의 하우징 내면과 정류통 외면의 간격 L2, 하우징에 설치한 측면의 노즐 내경 L3에 대하여, 각각의 길이는 자유로이 설정할 수 있지만, 모듈 내부의 흐름성, 압력 손실 등을 고려하여, 이하의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

·L1≥3㎜. 더욱 바람직하게는 L1≥10㎜

·L2≥3㎜. 더욱 바람직하게는 L2≥7㎜. 나아가 L2≥10㎜

·L3≥8㎜. 더욱 바람직하게는 L3≥10㎜. 나아가 L3≥20㎜

·10≥L2/L1≥0.5. 더욱 바람직하게는 4≥L2/L1≥1

·100≥L3/L2≥2. 더욱 바람직하게는 20≥L3/L2≥4

여기서, 중공사막 존재 영역의 최외경과 정류통 내면 사이의 길이 L1에 대해서는, 크로스 플로우 등의 흐름에 의하여, 중공사막이 정류통의 구멍 등에 접촉하여, 막이 손상, 나아가 절단되는 것을 회피하기 위하여, 또한 한편, L1이 지나치게 길면, 하우징 직경이 커지거나, 또는 중공사막 다발 직경이 작아지기 때문에 중공사막 개수가 적어지는 등의 과제가 있어, L1이 적절한 길이를 가질 필요가 있다.

하우징에 설치한 측면의 노즐이 설치되어 있는 위치에 있어서의 하우징 내면과 정류통 외면의 간격 L2에 대해서는, 크로스 플로우 등의 흐름에 의한 압력 손실이 커지면, 송액 동력이 커지는 것 외에, 정류통 외주부의 통액으로, 측면의 노즐에서 가까운 쪽이 흐르기 쉽고, 측면의 노즐에서 먼 쪽은 흐르기 어려워져 편류가 발생하는 요인이 된다. 그 때문에, L2가 적절한 길이를 가질 필요가 있다.

하우징에 설치한 측면의 노즐 내경 L3에 대해서는, 크로스 플로우 등의 흐름이 편류 등이 없이 모듈 외부로 배출되는 것, 송액 동력이 과대해지지 않도록 송액 압력 손실을 작게 하기 위하여, L3이 적절한 길이를 가질 필요가 있다. 또한 접속하는 배관 등과의 관계로부터 규격 크기인 것이 바람직하다.

L2/L1에 대해서는, 실제로 모듈을 제작하는 경우, 가능한 한 규격품을 사용하는 것이 비용면에서도 바람직하며, 그 때문에, 하우징 외경도 소정의 길이를 선택하게 되어, 한정된 공간 내에서 정류통의 위치를 정할 필요가 있다. L1과 L2에 대해서는, 각각 상술한 길이의 범위에서 결정할 수 있지만, 중공사막을 손상시키지 않고, 또한 송액 압력 손실을 작게 하기 위하여, 또한 특히 L2/L1의 값이 작은 경우에는, 측면의 노즐로부터의 크로스 플로우 흐름의 배출 등으로 인하여, 측면의 노즐 근방의 흐름이 커져 모듈 내의 편류가 발생할 우려도 있어, L2/L1의 값에 대해서는 적절한 값일 필요가 있다.

L3/L2에 대해서는, 측면의 노즐 직경을 크게 하면, 정류통 외주부의 유로 면적을 크게 할 수도 있지만, 측면의 노즐로부터의 크로스 플로우 흐름의 배출 등으로 인하여, 측면의 노즐 근방의 흐름이 커져 모듈 내의 편류가 발생할 우려도 있어, L3/L2의 값에 대해서도 적절한 값일 필요가 있다.

상술한 실시 형태에서는, 하우징 본체(3)의 원액 유출구(8)로부터는 여과 전의 원수가 유출되는 예를 들었지만, 본 발명은 하우징 본체(3) 측면에 설치한 노즐로부터 원수 등이 유출될 때 효과를 발휘하는 것이며, 유출 대상은 여과 전의 상태일 수도, 여과 후의 상태일 수도 있으며, 나아가 액체, 기체 또는 기액 혼합물 등 특별히 한정되는 것은 아니다. 따라서 크로스 플로우에 한정되지 않고 전량 여과 운전에 사용할 수도 있으며, 중공사막의 외측으로부터 압력을 가하여 여과를 행하는 외압식 중공사막 모듈에 한정되지 않고, 중공사막의 내측으로부터 압력을 가하여 여과를 행하는 내압식 중공사막 모듈에 사용할 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 적절히 변형, 개량 등이 가능하다. 그 외에, 상술한 실시 형태에 있어서의 각 구성 요소의 재질, 형상, 치수, 수치, 형태, 수, 배치 장소 등은 본 발명을 달성할 수 있는 것이면 임의이며, 한정되지 않는다.

본 출원은 2013년 12월 27일에 출원된 일본 특허 출원 특원 제2013-271328호, 2014년 3월 31일에 출원된 일본 특허 출원 특원 제2014-071767호에 기초하는 것이며, 그의 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

본 발명의 카트리지식 중공사막 모듈은 발효 공업 분야, 의약품 제조 분야, 식품 공업 분야, 수처리 분야 등에서 사용할 수 있다.

100: 중공사막 카트리지
101: 카트리지식 중공사막 모듈(중공사막 모듈)
110: 여과부
1: 중공사막
2: 중공사막 다발
3: 하우징 본체
3A: 대경부
3B: 소경부
3C: 플랜지부
3D: 플랜지부
4: 상부 캡
4A: 단차부
4C: 플랜지부
5: 하부 캡
5D: 플랜지부
6: 원액 유입구
7: 여과액 출구
8: 원액 유출구(노즐)
9: 정류통(통형 케이스)
9C: 플랜지부
9E: 볼록부
10: 정류 구멍
11: 제1 집속 고정부
11E: 단차부
12: 제2 집속 고정부
13: 제2 집속 고정부 케이스
14: 관통 구멍
15: 제1 시일재
16: 제2 시일재
17: 개스킷용 홈
18: 개스킷
19: 시일 부재
30: 하우징
31: O링 홈
32: 중공사막 존재 영역
33: 중공부
34: 저액부
35: 환상 유로

Claims

복수의 중공사막을 포함하는 중공사막 다발과,
상기 중공사막 다발의 적어도 제1 단부가 개구된 상태에서 상기 중공사막 다발이 집속 고정된 제1 집속 고정부와,
상기 제1 단부 가까이의 측면에 적어도 1개의 노즐을 갖고, 상기 중공사막 다발을 수용하는 하우징과,
복수의 정류 구멍을 갖고, 상기 제1 집속 고정부와 상기 하우징 사이에 개재되어, 상기 제1 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 액밀(液密)하게 고정하는 정류통
을 구비한 중공사막 모듈이며,
(ⅰ) 상기 하우징이, 해당 하우징에 있어서의 상기 노즐을 설치한 부분에 대향하는 상기 정류통의 내경보다 작은 내경을 갖는 소경부를, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서 상기 정류통의 하단부보다 하측에 설치하는 것, 또는 (ⅱ) 상기 정류통이, 상기 하우징에 있어서의 상기 노즐을 설치한 부분에 대향하는 상기 정류통의 내경보다 작은 내경을 갖는 소경부를, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서 상기 정류 구멍보다 하측에 설치하는 것인 중공사막 모듈.
제1항에 있어서, 상기 제1 집속 고정부와 상기 정류통 사이를 제1 시일재에 의하여 액밀하게 고정하는 것인 중공사막 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하우징과 상기 정류통 사이를 제2 시일재에 의하여 액밀하게 고정하는 것인 중공사막 모듈.
제1항에 있어서, 상기 제1 집속 고정부와 상기 정류통, 상기 하우징과 상기 정류통 사이를 접착 고정에 의하여 액밀하게 고정하는 것인 중공사막 모듈.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서의 상기 제1 집속 고정부의 하단부의 최외경과, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서의 상기 제1 집속 고정부의 하단부에서의 상기 중공사막의 적어도 상기 제1 단부가 존재하는 중공사막 존재 영역의 최외경이 이하의 식을 만족시키는 것인 중공사막 모듈.
Df<Du
단,
Df: 상기 제1 집속 고정부의 하단부에서의 상기 중공사막 존재 영역의 최외경
Du: 상기 제1 집속 고정부의 하단부의 최외경
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징 또는 상기 정류통에 설치되는 상기 소경부가, 상기 중공사막 모듈의 축 방향에 있어서 상방에 해당하는 측면으로부터 테이퍼형으로 직경 축소되어 이루어지는 것인 중공사막 모듈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공사막의 제2 단부를 밀봉한 상태에서 집속하는 제2 집속 고정부와,
상기 제1 집속 고정부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 고정부와,
상기 제1 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 액밀하게 밀봉하는 시일부와,
상기 제2 집속 고정부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게, 또한 상기 제2 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 통액 가능하게 유지하는 유지부
를 더 구비하는 중공사막 모듈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공사막의 제2 단부를 밀봉한 상태에서 집속하는 제2 집속 고정부와,
상기 정류통을 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 제1 고정부와,
상기 정류통과 상기 하우징 사이를 액밀하게 밀봉하는 제1 시일부와,
상기 제1 집속 고정부를 상기 정류통에 대하여 착탈 가능하게 고정하는 제2 고정부와,
상기 제1 집속 고정부와 상기 정류통 사이를 액밀하게 밀봉하는 제2 시일부와,
상기 제2 집속 고정부를 상기 하우징에 대하여 착탈 가능하게, 또한 상기 제2 집속 고정부와 상기 하우징 사이를 통액 가능하게 유지하는 유지부
를 더 구비하는 중공사막 모듈.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 단부가 존재하는 중공사막 존재 영역의 최외경과 상기 정류통 내면의 간격 L1이 이하의 식을 만족시키는 것인 중공사막 모듈.
L1≥3㎜
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 단부가 존재하는 중공사막 존재 영역의 최외경과 상기 정류통 내면의 간격 L1과, 상기 하우징의 상기 노즐이 설치되어 있는 위치에 있어서의 상기 하우징 내면과 상기 정류통 외면의 간격 L2가 이하의 식을 만족시키는 것인 중공사막 모듈.
10≥L2/L1≥0.5