JP2019510623A - バイオリアクターアセンブリ - Google Patents

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Abstract

供給水を処理するためのバイオリアクターアセンブリであって、ｉ）断面積を有する内側チャンバを画定する内側周辺表面と、内側チャンバへの流体アクセスを提供するように適合された第１及び第２のポートと、を備える圧力容器と、ｉｉ）内側チャンバ内に位置する複数のバイオリアクターであって、各バイオリアクターが、外周、及び入口領域から出口領域へ生物成長表面に沿って延びる流動チャネルを含む、複数のバイオリアクターと、ｉｉｉ）供給水の供給源との接続のために適合され、かつ圧力容器の第１のポートから、各バイオリアクターへの平行流動パターンに沿って、各バイオリアクターの流動チャネルの中に、そして圧力容器の第２のポートの外へ延びる流体流動経路と、を含む、バイオリアクターアセンブリ。
【選択図】図５

Description

本発明は、バイオリアクターアセンブリを対象とする。
多くの冷却及び濾過装置は、連続または半連続の供給水の流動に依存する。供給源が生物栄養物を含有する場合、生物付着が多くの場合発生する。結果として、このような装置は、熱交換効率の低下及び／または望ましくない圧力降下を経験する。その上、生物付着が、密接に離間した膜表面上に発生する場合、質量移動の全効率が悪影響を受ける。
生物付着は、供給水に、酸化剤（例えば、漂白剤）、殺生物剤、制生剤を導入することによって軽減することができる。供給水は、また、バイオリアクターで前処理されて、前処理しなければ、下流装置の生物付着の一因となるであろう生物栄養物を低減することができる。例が、米国特許出願第ＵＳ２０１２／０１９３２８７号、米国特許第ＵＳ７，０４５，０６３号、欧州特許第ＥＰ１２７２４３号、及びＨ．Ｃ．Ｆｌｅｍｍｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，１１３（１９９７）２１５−２２５；Ｈ．Ｂｒｏｕｗｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．１１，ｉｓｓｕｅｓ １−３（２００６）１５−１７に記載されている。これらの例のそれぞれにおいて、供給水は、使用から上流の位置においてバイオリアクターで前処理される。米国特許出願第ＵＳ２０１２／０７４９９５号、英国特許第ＧＢ１５０９７１２号、出願公開第ＪＰ２０１３／２０２５４８号、国際特許出願第ＷＯ１９９６／３８３８７号、ドイツ特許第ＤＥ３４１３５５１号、及びドイツ特許第ＤＥ１０２０１２０１１８１６号も参照されたい。
供給水から生物栄養物を除去するための新しい技法が、所望される。特に、連続的または半連続様式において、最も同化できる生物栄養物を除去するのに好適なものを含む、新しいバイオリアクター設計が所望される。
好ましい実施形態において、本発明は、
ｉ）断面積を有する内側チャンバを画定する内側周辺表面と、内側チャンバへの流体アクセスを提供するように適合された第１及び第２のポートと、を備える圧力容器と、
ｉｉ）内側チャンバ内に位置する複数のバイオリアクターであって、各バイオリアクターが、外周、及び入口領域から出口領域へ生物成長表面に沿って延びる流動チャネルを含む、複数のバイオリアクターと、
ｉｉｉ）供給水の供給源との接続のために適合され、かつ圧力容器の第１のポートから、各バイオリアクターへの平行流動パターンに沿って、各バイオリアクターの流動チャネルの中に、そして圧力容器の第２のポートの外へ延びる流体流動経路と、を含む、バイオリアクターアセンブリ。
好ましい実施形態において、バイオリアクターは、圧力容器の内側チャンバ内に直列配置で配置される。別の実施形態において、複数のバイオリアクターを有する複数の圧力容器を含む複数のアセンブリを使用することができる。
バイオリアクターアセンブリは、加熱または冷却（例えば、熱交換器、加湿器、冷却タワーなど）、及び濾過（例えば、逆浸透、ナノ濾過、順浸透、限外濾過、精密濾過、カートリッジフィルタ、膜蒸留、膜脱ガスなど）装置を含む、下流での動作において使用される水の前処理としての役割を果たすことができる。供給水中の生物栄養物の減少がない場合、このような下流の動作は、効率を低下させ得る顕著な生物付着を経験し得る。
図は、正確な縮尺ではなく、説明を容易にするための理想的な図を含む。可能であれば、同一番号は、同じまたは同類の機能を指定するために図及び記載される説明全体で使用されている。
渦巻き状膜モジュールの透視、部分切断図である。 圧力容器内に直列に配置された、複数の渦巻き状膜モジュールを含む、超濾過アセンブリの様々な実施形態の断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、渦巻き状バイオリアクターの正面図であり、図３Ｃは、渦巻き状バイオリアクターの透視図である。 圧力容器、及び並列に整列の複数のバイオリアクター、及び並列流動配置を含む、バイオリアクターアセンブリの断面図である。 圧力容器内で軸方向に並び、並列流動配置で配置された複数の渦巻き状バイオリアクターを含む、バイオリアクターアセンブリの断面図である。図５Ａ〜Ｂに示される実施形態において、バイオリアクターは、圧力容器の中心軸（Ｙ’）と一致する軸（Ｙ）に沿って並び、一方図５Ｃ〜Ｄに示される実施形態において、バイオリアクターの並ぶ軸（Ｙ）は、バイオリアクターの中心軸（Ｙ’）と平行であるが、中心軸からはずれている。矢印は、アセンブリを通る流体流動経路を示す。 図６Ａは、圧力容器内に位置するバイオリアクターを含むバイオリアクターアセンブリの断面図であり、半径方向流動供給チャネル（６８）を示し、図６Ｂは、外周表面と中空中央導管との間の半径方向流動に好適なバイオリアクターの斜視図である。 多孔質外周表面、及び多孔質外周表面から中空中央導管まで延びる流体流動経路を有する複数のバイオリアクターを含む、バイオリアクターアセンブリの代替の実施形態を示す断面図である。 複数の上流バイオリアクターアセンブリ、複数の下流分離モジュール、及び任意の洗浄アセンブリを含む、対象であるアセンブリの一実施形態の模式図である。
本発明は、生物栄養物（例えば、溶解及び懸濁された生体物質）を含む、様々な水性供給液（例えば、汽水、海水、廃水など）の処理に有用なバイオリアクターアセンブリを含む。バイオリアクターは、入口領域から出口領域へ生物成長表面に沿って延びる流動チャネルを含む。入ってくる供給流体は、入口領域に入り、流動チャネルを通過して出口領域に至る。生物成長表面（成長培地）は、微生物がコロニーをつくるプラットフォームを提供し、バイオリアクターを通過する際に、供給流体中の生物栄養物を消費する。記載されるように、平面シート、粒子などを含む、生物成長表面のいくつかの実施形態が好適である。入口領域と出口領域は、成長培地に隣接して位置し、供給流体が出入りし得る、バイオリアクターの最外郭寸法に必ずしも対応していない。
好ましい実施形態において、バイオリアクターアセンブリは、少なくとも１つの、及び好ましくは複数の、圧力容器の内側チャンバ内に位置するバイオリアクターを含む。圧力容器は、内側チャンバへの流体アクセスを提供するように適合された第１及び第２のポートを含む。流体流動経路は、第１のポートから、バイオリアクターの入口領域へ、バイオリアクターの流動チャネルを通って、バイオリアクターの出口領域及び圧力容器の第２のポートの外へ延びる。流体流動経路は、供給流体の供給源 との接続のために適合される。圧力容器の内側周辺表面は、好ましくは円筒状である内側チャンバを画定し、バイオリアクターは、好ましくは円筒状外周を含む。
複数のバイオリアクターは、一般の圧力容器内に、並列配置または直列配置で配置することができると同時に、流体流動経路は、好ましくはバイオリアクターを通る平行流動パターンに従う。
好ましい実施形態において、圧力容器の内側チャンバは、対向する端部の間の軸（Ｙ’）に沿って延びる。（断面が測定される地点に位置することができるバイオリアクターの）流動チャネルの面積を除く、内側チャンバの断面積（すなわち、軸Ｙ’に垂直な方向で、軸Ｙ’に沿って任意の位置）の少なくとも１５％（より好ましくは２０％、２５％、またはさらに３０％）は、流体流動経路へアクセス可能な自由空間である。この配置は、各バイオリアクターに圧力降下が小さい供給流体の平行流動を供給する、内側チャンバを通る適切な流体流動を提供する。
記載されるように、様々なバイオリアクター構成が使用され得る。例えば、バイオリアクターは、中央中空導管、多孔質円筒状シェル、及び粒状または繊維状の成長培地を含むことができる。成長培地は、生物成長表面を提供し、流体的に中央中空導管と多孔質円筒状シェルを接続する、それらの間の流動チャネルを画定する。代替の実施形態において、バイオリアクターは、２つの対向する生物成長表面を有する平面シート、及び軸（Ｙ）の周囲に渦状に巻き付けられた供給液スペーサーを含み、円筒状外周表面を形成することができる。平面シートは、多孔質であっても、非多孔質であってもよい。供給液スペーサーは、隣接する生物成長表面の間に、流動チャネルを提供し、流体のための経路を提供して、平面シートを通過しないでバイオリアクターを通過させる。
バイオリアクターアセンブリは、下流の冷却／加熱、または濾過装置、特に生物付着を受けやすく、前処理しなければ洗浄が困難または高価である装置に使用される水の前処理として使用することができる。加熱及び冷却装置の例としては、熱交換器、加湿器、及び冷却タワーが挙げられる。濾過装置の例としては、逆浸透、ナノ濾過、順浸透、限外濾過、精密濾過、膜蒸留、膜脱ガス装置が挙げられる。バイオリアクターアセンブリは、水の連続流れを前処理して、水から最も同化できる栄養物を除去して、下流装置における生物付着を防止または遅らせることに資する。より大きな処理アセンブリ内に並列にある複数のバイオリアクターアセンブリは、前処理しなければ付着にさらされるであろう下流装置へ、前処理水の連続供給を依然として提供すると同時に、個々のバイオリアクターアセンブリの定期的な付着の除去及び洗浄を可能にする。
好ましい実施形態において、下流装置が、逆浸透（ＲＯ）またはナノ濾過（ＮＦ）装置であり、集合的に「超濾過」と総称される。超濾過アセンブリは、ａ）供給液ポート、濃縮液ポート、及び透過液ポートを含む高圧容器、ならびにｂ）高圧容器内に位置する直列に配置された複数の渦巻き状超濾過膜モジュールであって、それぞれが、透過液ポートへの透過液通路を形成する透過液管の周囲に巻き付けられた少なくとも１つの膜エンベロープを含む複数の渦巻き状超濾過膜モジュールを含む。そのような配置で、供給流体中に存在する生物栄養物は、バイオリアクターアセンブリ中に存在する微生物によって消費され、下流超濾過アセンブリにおける生物付着を引き起こす可能性が低い。
超濾過アセンブリは、直列配置で配置された複数の渦巻き状膜モジュール、及び一般の（高）圧容器内の連続流動パターンを含む。動作中、加圧された供給流体の供給源（例えば、０．１〜１ＭＰａに加圧された廃水）は、連続的にバイオリアクターアセンブリ及び超濾過アセンブリを通って、流体流動経路を通過する。追加の濾過装置動作は、流体流動経路に沿って含まれてもよい。例えば、精密濾過装置（０．１〜１０μｍの平均孔径）、または限外濾過装置（０．００１〜０．１μｍの平均孔径）、例えば中空繊維膜装置、またはカートリッジフィルタ（１０〜５０μｍの平均孔径）が、超濾過アセンブリとバイオリアクターアセンブリとの間、及び供給流体の供給源とバイオリアクターアセンブリとの間を含む位置で、流体流動経路に沿って配置され得る。１つ以上のバイオリアクターアセンブリの様々な組み合わせが、１つ以上の超濾過アセンブリと一緒に使用され得る。例えば、単一のバイオリアクターアセンブリは、処理された流体を複数の超濾過アセンブリに供給することができる。超濾過アセンブリは、いずれも互いに並列流動構成または直列構成に配置され、いずれも第１の（上流）超濾過から透過または濃縮し、下流超濾過アセンブリに供給される。同様に、並列流動構成に配置された複数のバイオリアクターは、１つ以上の一般的な下流濾過アセンブリを供給することができる。
本発明において有用な渦巻き状超濾過膜モジュール（「要素」）は、１つ以上の膜エンベロープ、及び透過液回収管周囲に巻き付けられた供給液スペーサーシートを含む。エンベロープを形成するために使用されるＲＯ膜は、可視的にすべて溶解した塩に対して比較的不透過性であり、典型的に、塩化ナトリウム等の一価イオンを有する塩の約９５％超をカットする。ＲＯ膜は、また、典型的に、無機分子及び約１００ダルトンより大きい分子量を有する有機分子の約９５％超をカットする。ＮＦ膜は、ＲＯ膜より透過性があり、典型的に、一価イオンを有する塩の約９５％未満をカットすると同時に、二価イオンの種によるが、二価イオンを有する塩の約５０％より大きい（及びしばしば９０％より大きい）割合をカットする。ＮＦ膜は、また、典型的に、ナノメートル領域における粒子及び約２００〜５００ダルトンより大きい分子量を有する有機分子をカットする。
代表的な渦巻き状膜モジュールは、図１に概して示される。モジュール（２）は、透過液回収管（８）の周囲に１つ以上の膜エンベロープ（４）及び供給液スペーサーシート（「供給液スペーサー」）（６）を同心円状に巻き付けることによって形成される。各膜エンベロープ（４）は、好ましくは、膜シート（１０、１０’）の２つの実質的に長方形である部分を備える。膜シート（１０、１０’）の各部分は、膜または前側（３４）及び支持物または裏側（３６）を有する。膜エンベロープ（４）は、膜シート（１０、１０’）を重ね、それらの端を並べることによって形成される。好ましい実施形態において、膜シートの断面（１０、１０’）は、透過液チャネルスペーサーシート（「透過液スペーサー」）（１２）を囲む。このサンドイッチ型構造は、エンベロープ（４）を形成するために３つの端（１６、１８、２０）に沿って、例えば、封止剤（１４）で互いに固定されると同時に、エンベロープ（４）（及び任意の透過液スペーサー（１２））の内側部分が、透過液回収管（８）の長さに沿って延びる複数の開口（２４）と流体連通するように、第４の端、すなわち、「近位端」（２２）は、透過液回収管（８）に隣接する。モジュール（２）は、好ましくは、複数の供給液スペーサーシート（６）によって分離される複数の膜エンベロープ（４）を備える。図で示した実施形態において、膜エンベロープ（４）は、隣接配置された膜リーフパケットの裏側（３６）の表面を接合することによって形成される。膜リーフパケットは、実質的に長方形の膜シート（１０）を備え、それは、２つの膜「リーフ」を画定するためにそれ自体の上に折り畳まれ、各リーフの前側（３４）は、互いに向き合い、折った部分は、膜エンベロープ（４）の近位端（２２）と軸方向に並び、すなわち、透過液回収管（８）と並行する。供給液スペーサーシート（６）は、折られた膜シート（１０）の向き合う前側（３４）の間に位置するように示される。供給液スペーサーシート（６）は、モジュール（２）を通って軸方向（すなわち、透過液回収管（８）と並行）に供給流体の流動を促進する。示されていないが、追加の中間層もまた、アセンブリに含まれてもよい。膜リーフパケット及びそれらの製作の代表的な例は、米国特許第ＵＳ７，８７５，１７７号にさらに記載される。
モジュール製作の間、透過液スペーサーシート（１２）は、膜リーフパケットが、その間に交互に挟まった状態で透過液回収管（８）の円周の周囲に取り付けられてもよい。隣接配置された膜リーフ（１０、１０’）の裏側（３６）は、膜エンベロープ（４）を形成するために透過液スペーサーシート（１２）を囲むようにそれらの外面（１６、１８、２０）の部分の周囲を密封する。透過液スペーサーシートを透過液回収管に取り付けるための適切な技術は、米国特許第ＵＳ５，５３８，６４２号に記載される。膜エンベロープ（４）及び供給液スペーサー（６）は、対向する端部で２つの対向する渦巻き面（３０、３２）を形成するように透過液回収管（８）の周囲に同心円状に巻き付けられるか、または「巻かれ」、得られた渦状の束は、テープまたは他の手段等によって適所に保持される。（３０、３２）の渦巻き面は、その後、整えられてもよく、米国特許第ＵＳ７，９５１，２９５号に記載される通り、封止剤が、渦巻き面（３０、３２）と透過液回収管（８）との間の接合点で任意で適用されてもよい。長いガラス繊維が、部分的に構成されたモジュール及び適用され、硬化した樹脂（例えば、液体エポキシ）の周囲に巻き付けられてもよい。代替の実施形態において、米国特許第ＵＳ８，１４２，５８８号に記載される通り、テープが、巻き付けられたモジュールの周囲に適用されてもよい。モジュールの端部は、モジュールの入口及び出口渦巻き端部との間の圧力差の下で膜エンベロープが移動しないように設計された巻きずれ防止装置または後端キャップ（図示せず）に取り付けられてもよい。代表的な例が、米国特許第ＵＳ５，８５１，３５６号、米国特許第ＵＳ６，２２４，７６７号、米国特許第ＵＳ７，０６３，７８９号、米国特許第ＵＳ７，１９８，７１９号、及び国際特許出願第ＷＯ２０１４／１２０５８９号に記載されている。
図１に示される矢印は、動作中の供給液及び透過流体（「生成物」または「濾液」とも称される）のおおよその流動方向（２６、２８）を表す。供給流体は、入口渦巻き面（３０）からモジュール（２）に入り、膜シートの前側（３４）をわたって流れ、対向する出口渦巻き面（３２）でモジュール（２）から出る。透過流体は、矢印（２８）によって示される通りの供給液の流れにほぼ垂直な方向で透過液スペーサーシート（１２）に沿って流れる。実際の流体の流動経路は、構成及び動作条件の詳細によって異なる。
モジュールは、様々な大きさで入手可能であるが、１つの一般的な工業用ＲＯモジュールが、標準的な８インチ（２０．３ｃｍ）の直径及び４０インチ（１０１．６ｃｍ）の長さで入手可能である。典型的な８インチの直径のモジュールに対して、２６〜３０の個々の膜エンベロープが、透過液回収管の周囲を巻き付けられる（すなわち、約１．５〜１．９インチ（３．８ｃｍ〜４．８ｃｍ）の外径を有する透過液回収管に対して）。米国特許第ＵＳ８，４９６，８２５号に記載されるものを含む、それほど標準的ではないモジュールもまた使用されてもよい。好ましい実施形態において、バイオリアクターアセンブリの下流の少なくとも１つの渦巻き状超濾過モジュールは、２０ミル（０．５０８ｍｍ）未満、またはさらに１５ミル（０．３８１ｍｍ）未満の厚さの供給液スペーサーを使用する。
図２Ａ〜Ｂは、本発明に好適な超濾過アセンブリ（３８）の２つの基本的な実施形態を示す。示されるように、アセンブリ（３８）は、供給液ポート（４２）、濃縮液ポート（４３）、及び透過液ポート（４４）を含む、高圧容器（４０）を含む。圧力（４０）の側部及び端部に位置するポートの組み合わせを含む、様々な同様の構成は、既知であり、使用することができる。複数の渦巻き状膜モジュール（２、２’、２’’、２’’’，２’’’’）が、圧力容器（４０）内に直列に配置される。本発明で使用される圧力容器は、特に限定されていないが、好ましくは、動作条件に関連する圧力に耐えることができる丈夫な構造を含む。動作中に使用される流体圧力は、典型的には１．５ＭＰａを超える（例えば、汽水に対して１．６〜２．６Ｍ、海水に対して６〜８ＭＰａ）ので、超濾過に使用される圧力容器は、本明細書において「高」圧容器と称される。容器構造は、好ましくは、内周を有するチャンバ（４６）を含み、内周は、その中、例えば、円筒状に収納される渦巻き状膜モジュールの外周のそれに相当する。チャンバの長さは、好ましくは、連続的に（軸方向に）搭載される渦巻き状膜モジュールの合わせた長さに相当する。好ましくは、容器は、直列に配置された、互いに流体連通しているそれぞれの透過液管（８）を有する、少なくとも２〜８つの渦巻き状膜モジュールを含有して、透過液ポート（４４）への透過液通路を形成する。供給液ポート（４２）への流体の流動、及び濃縮液ポート及び透過液ポート（４３、４４）の外への流体の流動は、矢印によって一般的に示される。圧力容器（４０）は、また、モジュール（２）が搭載された時点でチャンバ（４６）を密封する１つ以上の端部プレート（４８，５０）を含んでもよい。圧力容器の方向は、特に限定されないが、例えば、水平及び垂直方向の両方が使用されてもよい。適切な圧力容器、モジュール配置、及び搭載の例は、米国特許第ＵＳ６，０７４，５９５号、米国特許第ＵＳ６，１６５，３０３号、米国特許第ＵＳ６，２９９，７７２号、米国特許出願第ＵＳ２００７／０２７２６２８号、及び米国特許出願第ＵＳ２００８／０３０８５０４号に記載されている。圧力容器の製造業者は、Ｐｅｎｔａｉｒ ｏｆ Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ ＭＮ，Ｐｒｏｔｅｃ−Ａｒｉｓａｗａ ｏｆ Ｖｉｓｔａ ＣＡ ａｎｄ Ｂｅｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｆ Ｂｅｅｒ Ｓｈｅｖａ，Ｉｓｒａｅｌを含む。
それぞれ１つ以上の渦巻き状膜モジュールを備える、個々の圧力容器または連携する容器の群は、「トレーン」または「パス」と称されることができる。パス内の容器は、１つ以上の段に配置されてもよく、それぞれの段は、供給流体に対して並列して動作する１つ以上の容器を含有する。複数の段は、直列に配置され、上流の段からの濃縮流体は、下流の段に対する供給流体として使用されると同時に、各段からの透過液は、パス内でさらに再処理せずに回収される。多重パス超濾過システムは、米国特許第ＵＳ４，１５６，６４５号、米国特許第ＵＳ６，１８７，２００号、米国特許第ＵＳ７，１４４，５１１号、及び国際特許出願第ＷＯ２０１３／１３０３１２号に記載される通り、流体通路に沿って個々のパスを相互に連結することによって構成される。
１つの好ましい種類のバイオリアクターは、膜モジュールに関して上述したものと同様の渦巻き状構成を有する。しかしながら、バイオリアクターにおいて流体分離が発生しない場合、バイオリアクターは、好ましくは膜エンベロープを含まない。図３Ａ〜Ｃに最もよく示されるように、適切なバイオリアクター（５２）は、２つの対向する生物成長表面（５６、５６’）、及び軸（Ｙ）の周囲に渦状に巻き付けられた供給液スペーサー（５８）を有する平面シート（５４）を含み、第１の端部（６０）の入口領域（６１）から、第２の端部（６２）の出口領域（６３）に軸（Ｙ）に沿って延びる、第１の端部（６０）付近に位置する入口渦巻き面（６４）、及び第２の端部（６２）付近に位置する出口渦巻き面（６６）を有する、円筒状外周（５５）を形成することができる。平面シート（５４）は、多孔質であっても、非多孔質であってもよい。供給液スペーサー（５８）は、隣接する生物成長表面（５６、５６’）の間に、流動チャネルを提供し、流体のための流体流動経路を提供して、平面シート（５４）を通過しないでバイオリアクター（５２）を通過させる。
図３Ｂに示される実施例に関して、平面シート（５４）及びスペーサー（５８）は、中空導管（７０）の周囲に渦状に巻き付けられている。導管の（７０）の内側表面（７１）は、入口または出口渦巻き面（６４、６６）のみを通して、平面シート及び供給液スペーサーと好ましく流体連通している。対照的に、図３Ａ及び３Ｃに示される実施形態は、中空導管を含まない。図示されない代替の実施形態において、中空導管は、中実ロッドで置換されてもよい。中空導管（７０）を含むように図３Ｂでは示されるが、他の実施形態において、バイオリアクターの導管は、好ましくは、不透過性であり、したがって、導管の端部からを除いて、平面シート及び供給液スペーサーとの直接流体連通から密封される。
バイオリアクター（５２）は、それらの平面シートが、供給溶液を、透過液及び濃縮液の流れに分離せず、渦巻き状膜モジュールとして機能しない。むしろ、流量チャネル（６８）は、平面シート（５４）を通過しないで、入口領域（６１）から出口領域（６３）への直接経路を提供して、透過を引き起こす。例えば、図３の実施形態において、供給流体は、渦巻き状バイオリアクター（５２）の入口渦巻き面（６４）に入り、供給液スペーサー（５８）の流動チャネル（６８）に沿って通過し、出口渦巻き面（６６）経由で出る。しかしながら、いくつかの実施形態において、流動チャネルを通って流れる供給液は、中央導管（７０）によってバイオリアクターを通って戻る。このような実施形態は、図５に関連して説明され流体の流れが出口渦巻き面（６６）を通過した後、導管（７０）に入る。バイオリアクター（５２）を通過する間、液体（例えば、水）は、微生物が駐在するプラットフォームを提供する平面シート（５４）に接触する。供給液中の栄養物は、バイオリアクターを出る液体が、例えば、下流渦巻き状膜モジュールへ通過する前に、栄養物を枯渇するように、微生物によって消費される。
供給液スペーサー（５８）は、好ましくは、隣接する生物成長表面（５６、５６’）の間に、０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ、より好ましくは、０．１５ｍｍ〜１．０ｍｍの流動チャネル（６８）を提供する。０．１５ｍｍ未満のチャネルは、流動チャネルを通る圧力降下が、より頻繁な清掃を必要とするように、生物成長によってより容易に閉塞される。１．０ｍｍより大きいチャネルは、生物栄養物を消費するために望ましい生物成長を引き起こす点ではそれほど効率は良くない。渦巻き状バイオリアクター（５２）は、２つ以上の重なった平面シート及びスペーサーを用いて作製することができるが、スペーサー（５８）によって分離した２つ以下の平面シート（５４）を使用することが好ましい。最も好ましくは、各バイオリアクターは、単一の渦巻き状平面シート（５４）のみを備える。
生物成長表面は、入口領域（６１）及び出口領域（６３）を接続する、流動チャネル（６８）に隣接する表面として画定される。図３において、成長表面は、渦巻き状バイオリアクター（５２）の入口渦巻き面（６４）と出口渦巻き面（６６）を接続する、流動チャネル（６８）に隣接する。生物栄養物の大部分を除去しながら高い流率で動作するために、バイオリアクターを通過する流れに対して最小限の抵抗をさらに提供すると同時に、流動チャネルに接する生物成長表面の大きな面積が望ましい。好ましくは、流動チャネルの空隙容積（生物成長表面の間の固体によって塞がれない容積）は、バイオリアクターの容積の少なくとも６５％（より好ましくは、７５％またはさらに８５％）を含む。各バイオリアクターに対する、生物成長表面積のバイオリアクターの容積に対する比率は、好ましくは、１５ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１（より好ましくは、２０ｃｍ−１〜１００ｃｍ−１）である。一実施形態において、平面シートが、生物成長表面を提供してもよい一方で、流動チャネルは、溝または流動経路を含むスペーサー材料（例えば、織布材料等）の間または方法によって提供されてもよい。
渦巻き状バイオリアクター（５２）内で使用される供給液スペーサー（５８）は、特に限定されないが、渦巻き状膜モジュールに関連して上述される供給液スペーサーを含む。スペーサーに隣接する平面シートの大部分が、スペーサーとの接触によって閉塞されないことが望ましい。スペーサーに対する好ましい構造は、交点を有する網様シート材料を含み、交点の厚さは、その間のより糸の平均厚さより大きい。スペーサーは、***ステップによって、平面シートへの接着層の適用によって、または表面への適切な大きさの芯／シェル玉の添付によって等、平面シートの高くなった領域の集合であってもよい。渦状に巻き付けられた時点で、供給液スペーサーは、好ましくは、平面シートの隣接する生物成長表面の間に、０．１０ｍｍ〜１．５ｍｍ、より好ましくは、０．１５ｍｍ〜１．０ｍｍの流動チャネルを提供する。シートの形式で提供される場合、近位の供給液スペーサー（５８）及び平面シート（５４）の部分は、選択的に互いに結合、例えば、それらの表面上のそれらの外面または間欠領域の部分に沿って互いに接着されてもよい。同様に、隣接する生物成長表面は、それらの間の相対的な移動を防止するために、いくつかの場所に固定されていてもよいが、依然として流動チャネルを通って供給液の移動を可能にする。このような結合は、バイオリアクターに強度を追加し、スペーサーの押出を防止し、巻きずれを軽減する。
バイオリアクター（５２）の平面シート（５４）は、不透過性であってもよい。代替として、清掃に役立つため、対向する生物成長表面（５６、５６’）は、多孔質平面シート（５４）の土台を通って互いに流体連通していてもよい。特に限定されないが、透過性平面シートは、穿孔を有する一般的な不透過性シート、ＵＦまたはＭＦ膜、織物または不織布材料、繊維土台等を含んでもよい。好適な材料の例が、米国特許第ＵＳ５，５６３，０６９号に記載されている。しかしながら、米国特許第ＵＳ５，５６３，０６９号に記載されている一般設計とは異なり、本発明の渦巻き状バイオリアクター内の平面シートは、供給液スペーサー（５８）で分離される、両外面上の生物成長表面（５６、５６’）を含む。平面シート（５４）は、また、透過性であっても、不透過性であってもよい。一方で、供給液スペーサー（５８）は、隣接する生物成長表面（５６、５６’）の間に、流動チャネル（６８）を提供し、流体のための経路を提供して、平面シート（５４）を通過しないで、入口領域（６１）から出口領域（６３）へバイオリアクター（５２）を通過させる。好ましい材料は、０．１μｍより大きいか、または１０μｍより大きい細孔径を有するポリマーシートを含む。ポリマーシートは、また、清掃中に妨害流体を汚染領域へと促す、１０μｍより大きい大きさのマクロ孔を含んでもよい。適用されるポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、及びポリフッ化ビニリデンを含むが、これらに限定されない。本発明のバイオリアクターは、好ましくは、比較的高い流率で動作するため、平面シートの厚さは、好ましくは、スペーサーの厚さ未満である。平面シートの厚さは、好ましくは１ｍｍ未満であり、より好ましくは０．５ｍｍ未満、０．２ｍｍ未満、またはさらに０．１ｍｍ未満である。バイオリアクター（５２）内の平面シート（５４）の厚さは、下流超濾過モジュール（２）内にある膜エンベロープ（４）の厚さの好ましくは２５％未満である。
対象のバイオリアクターアセンブリが、下流超濾過アセンブリの上流に位置する実施形態において、バイオリアクター（５２）からの平面シート（５４）の巻かれていない長さは、下流超濾過モジュール（２）からの膜エンベロープ（４）の巻かれていない長さより、好ましくは少なくとも３倍、より好ましくは少なくとも１０倍を超える。（この文脈において、平面シート（５４）及び膜エンベロープ（４）の巻かれていない長さは、中心軸（ＸまたはＹ、それぞれ図１及び３から）に垂直な方向に測定される。
渦巻き状バイオリアクター（５２）の外周表面（５５）は、好ましくは円筒形であり、例えば、テープ、繊維ガラス等、渦巻き状膜モジュールに関して上述される通りの同じ方法で仕上げられてもよい。バイオリアクターは、成形、収縮包装、または押出シェル（例えば、ＰＶＣまたはＣＰＶＣ）に収容されられてもよい。代替として、または追加的に、バイオリアクターは、渦巻き状モジュールに関連して一般的に使用される巻きずれ防止装置を含んでもよい。一実施形態において、バイオリアクターは、隣接する渦巻き状膜モジュールと連動する後端キャップを含む（例えば、米国特許第ＵＳ６，６３２，３５６号及び同第ＵＳ８，４２５，７７３号を参照）。別の実施形態において、バイオリアクターによって処置された供給液と処理されていない供給液の混合を防止するために、後端キャップは、圧力容器内の回収チャンバとの接続のために封止を提供し得る。別の実施形態において、後端キャップは、隣接するバイオリアクターとの接続のために、封止及び／またはロック特性を提供し得る。
本発明のバイオリアクターアセンブリ内で使用されるバイオリアクターは、異なる形態を取ることができる。図３の渦巻き状バイオリアクターの代替が、図６に示される。この実施形態において、バイオリアクターは、多孔質外表面（５５）、中央中空導管（７０）、及び隣接する生物成長表面の間に、流動チャネル（６８）を備え、流体のための流体流動経路を提供して、入口領域（６１）から出口領域（６３）へバイオリアクター（５２）を通過させる。半径方向流動は、バイオリアクターの対向する端部上の後端キャップまたは封止によって支持される。一実施形態において、アセンブリは、前述のようにシート及び供給液スペーサーを有する渦巻き状モジュールを含むことができるが、外周と中心の間の半径方向流動を有する。代替の実施形態において、図６の多孔質外表面（５５）は、前述のように平面シート媒体、または生物成長を支持するための、代替の媒体（６７）（例えば、粒子、繊維、網織物など）を取り囲むことができる。対向する端部を通る供給液の流れを遮断して、バイオリアクター内の半径方向流動を促進することに加えて、後端キャップは、媒体をさらに含有するために使用することができる。媒体（６７）は、流体的に中央中空導管と周囲の多孔質外表面を接続する流動チャネルを画定する、生物成長表面を提供する。これらの半径方向流動の実施形態において、バイオリアクターの入口（または出口）領域は、多孔質外表面であっても、生物成長培地（６７）と中空導管（７０）の両方に近接する位置であってもよい。流れが成長培地を離れるバイオリアクターの出口領域は、反対である。好ましくは、多孔質外表面は入口領域であり、出口領域は中央中空導管に隣接する。
図５及び７に示されるように、１つ以上のスペーサー（７９）は、圧力容器（７３）内のバイオリアクター（５２）を並べるために使用することができる。複数のスペーサーは、バイオリアクターの外周表面（５５）から圧力容器の内側周辺表面（８１）を隔て、それらの間に環状の流動経路を作り出すことができる。別の実施形態において、圧力容器の内側チャンバ（８４）よりも小さいサイズのバイオリアクターは、圧力容器の内側表面上に重力によって静置され得る。容器内でのバイオリアクターの潜在的な移動は、バイオリアクターの端部付近に位置する、容器の内側周辺表面（８１）と接触している、止め具によって抑止される。さらに他の実施形態において、容器内のバイオリアクターの位置は、中央中空導管の容器端部アダプターへの取り付けによって固定することができる。いくつかの実施形態において、圧力容器は、円筒状内側周辺表面（８１）及び中央軸Ｙ’を有する、円筒状内側チャンバ（８４）を含む。好ましい実施形態は、圧力容器の円筒状内側チャンバ内に、円筒状バイオリアクターを含む。いくつかの実施形態において、圧力容器は、２０超のアスペクト比（長さ／直径）を有する。いくつかの実施形態において、バイオリアクターは、４未満のアスペクト比（長さ／直径）を有する。図５Ｂは、バイオリアクターの中心軸（Ｙ）と圧力容器の中心軸（Ｙ’）が一致する、実施形態を示す。図５Ａ及び５Ｂにおいて、バイオリアクターは、圧力容器内の中心に示される。対照的に、図５Ｃ及び５Ｄは、直列のバイオリアクター（５２）がスペーサー（７９）によって、圧力容器（７３）内の中心から外れて配置され、その結果ＹとＹ’が平行であるが中心から外れていることに対応する実施形態を示す。場合によって、この中央から外した配置は、容器内の供給液流れに対する全体的な抵抗を低減することができる。外側バイオリアクター表面（５５）と容器の内側周辺表面（８１）との間の最大及び最小距離の間の比率は、好ましくは２超である。いずれの場合においても、複数のスペーサー（７９）は、圧力容器の内側周辺表面から、バイオリアクターを好ましく隔てる。場合によって、連結器を提供する、または容器端部アダプターを改質する必要があり得る、その結果、導管（７０）が中央から外れ得る。スペーサー（７９）は、バイオリアクターと圧力容器との間の流動経路を作り出し、その結果、容器に入るまたは容器から出る供給溶液が、圧力容器内のバイオリアクターの少なくとも半分、及び潜在的にすべてまで、この「自由空間」内で自由に輸送され得る。スペーサー使用の別の代替として、大きい直径の圧力容器内にある複数の小さい直径のバイオリアクターは、バイオリアクターを通過し、容器端部アダプターに固着される、中心棒または管を用いて所定の位置に固定することができる。
好ましい実施形態において、バイオリアクターの断面積は、圧力容器の内側チャンバの断面積の常に少なくとも５％、より好ましくは１０％未満である（断面積は、内側チャンバの長さに沿って任意の位置で測定される）。その上、対向する端部の間の圧力容器の内側チャンバの総断面積の少なくとも５％及びより好ましくは１０％が、自遊空間（バイオリアクター、スペーサー、または他の構造によって占有されていない）であり、したがって、流体流動経路へアクセス可能である。このような配置は、容器内に直列に並んだ異なるバイオリアクターの間に流れを分配する手段を提供する。
複数のバイオリアクターは、一般の圧力容器内に、並列に配置（図４）または直列に配置（図５）されてもよい。しかしながら、どちらの場合にも、バイオリアクターを通る流体流動経路は、好ましくは平行流動パターンである。好ましい実施形態において、流体流動経路は、上流バイオリアクターアセンブリのバイオリアクターを通して平行であるが、バイオリアクターは、円筒状圧力容器の円筒状内側チャンバ内で、直列配置で配置される。
図４は、仕切（７８）によって区切られた第１のチャンバ（７４）及び第２のチャンバ（７６）を画定する圧力容器（７３）を含み、第１のチャンバ（７４）と流体連通している第１のポート（８０）及び第２のチャンバ（７６）と流体連通している第２のポート（８２）を含む、バイオリアクターアセンブリ（７２）の別の実施形態を示す。バイオリアクター（５２）は、第１のチャンバ（７６）と流体連通している各バイオリアクターの入口渦巻き面（６４）、及び第２のチャンバ（７８）と流体連通している各バイオリアクターの出口渦巻き面（６６）に固定された後端キャップを有して、渦巻き状で、圧力容器内に並列配置で配置され得る。流体流動経路は、流体供給の供給源（図示せず）から、圧力容器（７３）の第１のポート（８０）へ、第１のチャンバ（７４）へ、バイオリアクター（５２）の入口渦巻き面（６４）及び出口渦巻き面（６６）を通って、圧力容器の第２のチャンバ（７６）へ、そして圧力容器の第２のポート（８２）の外へ延びる。図４Ａは、軸方向流動に構成され、バイオリアクターの対応する端部付近の入口領域（６１）及び出口領域（６３）を有する、複数のバイオリアクター（５２）を示す。比較のため、図４Ｂのバイオリアクター（５２）は、半径方向流動に好適であり、バイオリアクターの外周表面（５５）付近の入口領域（６１）で示される。
図５及び７は、圧力容器（７３）を含み、第１のポート（８０）、第２のポート（８２）、及び内側周辺表面（８１）を有する内側チャンバ（８４）を含む、バイオリアクターアセンブリ（７２）の実施形態を示す。渦巻き状バイオリアクター（５２）は、圧力容器内（７３）で、直列配置で配置される。図５Ａ及び５Ｃは、バイオリアクター（５２）の一端の開放キャビティ（６９）が、渦巻き面から出てくる供給液を中央導管（７０）に入れることを可能にする、実施形態を示す。これらの図の矢印によって一般的に示されるように、流体流動経路は、流体供給の供給源（図示せず）から、第１のポート（８０）を通って圧力容器（７３）のチャンバ（８４）へ、入口渦巻き面（６４）を通ってバイオリアクター（５２）の出口渦巻き面（６６）の外へ、圧力容器（７３）の第２のポート（８２）の外へ延びる。図７Ａにおいて、流体流動経路は、流体供給の供給源（図示せず）から、第１のポート（８０）を通って圧力容器（７３）のチャンバ（８４）へ、バイオリアクターの外周表面（５５）を通って中央導管（７０）へ、圧力容器（７３）の第２のポート（８２）の外へ延びる。図４に示される実施形態と同様に、これらの実施形態における流体流動経路は、一般的には、バイオリアクターを通る平行流動パターンに従う。（「平行」という用語は、物理的配向を指すことを意図しないが、むしろ流体の流動経路が、再合流する前に異なるバイオリアクターを通って２つ以上の相当する（平行）経路に分けられることを意味する。）１つの好ましい実施形態において、バイオリアクター（５２）は、図３Ｂに示すように中央導管（７０）を含み、バイオリアクター（５２）の導管（７０）は、互いに及び出口（８２）と流体連通している。
図５Ａ及び７Ａにおいて、バイオリアクターは、圧力容器内の中心に示される。図５Ｂ、７Ｂ、及び７Ｄは、バイオリアクター（Ｙ）及びバイオリアクター圧力容器（Ｙ’）の一致する軸（Ｙ、Ｙ’）に対して垂直な断面である。対照的に、図５Ｄ及び７Ｃは、直列のバイオリアクター（５２）がスペーサー（７９）によって、圧力容器（７３）内の中心から外れて配置され、その結果ＹとＹ’の位置がずれていることに対応するケースを示す。場合によって、この中央から外した配置は、容器内の供給液流れに対する全体的な抵抗を低減することができる。バイオリアクターの外周表面（５５）と圧力容器の内側周辺表面（８１）との間の最大及び最小距離の間の比率は、好ましくは２超である。いくつかの実施形態において、バイオリアクター（５２）の外周表面（５５）に触れている複数のスペーサー（７９）は、バイオリアクター（５５）を容器の内側周辺表面（８１）から隔てる。場合によって、連結器を提供する、または容器端部アダプターを改質する必要があり得る、その結果、透過液管が中央から外れ得る。
図７Ａ〜Ｄは、供給液が、バイオリアクター（５２）を通って半径方向に流れる、実施形態を示す。図６に示される形態と同様に、バイオリアクター（５２）は、流体的に中央中空導管（７０）と周囲の多孔質外表面（５５）を接続する、流動チャネルを画定する生物成長培地を備えることができる。図７Ｂ、７Ｃ、及び７Ｄは、バイオリアクター内の半径方向流動供給チャネル（６８）の変形を示す。図７Ｂにおいて、一般的に中央導管に向けられた（あるいは、中央導管から離れた）、比較的ランダムな流動は、充填された微粒子、ランダムな繊維材料、または網織物に非常に好適である。図７Ｃにおいて、（矢印によって指定された）概して渦巻き状の流れは、バイオリアクターが、軸方向流動ではなく半径方向流動を主として生成するために設計される場合、シートの渦巻き状巻き付け及び供給液スペーサーを有するバイオリアクターの典型である。例えば、バイオリアクター内の半径方向供給液流動は、供給液が外周を通る流動を可能にし、後端キャップを使用して、供給液が対向する端部（６０、６２）を通る流れを遮断することによって、有望であり得る（図６Ｂに最もよく示される）。
図５Ａ、５Ｃ、及び７Ａはそれぞれ、圧力容器（７３）内に直列に配置された４つのバイオリアクターを示す。しかしながら、好ましい実施形態は、圧力容器内に直列に搭載された４つ以上のバイオリアクター、好ましくは容器内に８つ以上のバイオリアクターを含む。より長い圧力容器、及びより短いバイオリアクターモジュールを用いて、資本コストが減少して、下流装置に前処理水の流れを提供する（バイオリアクターを通る同様の流速を前提とする）。媒体を通るより短い経路長さを有するバイオリアクターはまた、圧力降下が少ない。最後に、本出願者らはまた、バイオリアクター内の生物成長の最大留分が、最初の数インチにおいて起ったことも特定した。すべてのこれらの理由から、直列に配置された複数のバイオリアクターを通る平行流動を可能にする設計は、特に有益である。
好ましい実施形態において、複数のバイオリアクターを含有する容器の中への供給液流れ、及び容器の外への供給液流れは、２つの圧力容器（３８）、（７３）の断面積で正規化されていても、下流超濾過容器に入る供給液の少なくとも４倍であってもよい。これらの異常に高い容器を通る流量で、バイオリアクター周囲の環状領域及び中央中空導管において、大きな圧力降下があり得る。中央中空導管を通して大きな圧力降下の可能性もある。さらに、計算は、これら２つの位置にある容器下流の圧力降下がキャンセルされない、また異なる位置の容器下流の異なるバイオリアクターと通る流れの大きな変動が生じる得ることを特定した。圧力容器内にあるバイオリアクターの間での水の流動の変動が、２倍未満に保持されることが好ましく、好ましくは１．５倍以内である。
複数の充填された渦巻き状バイオリアクターを含有する圧力容器は、生物成長表面（培地）の組み込みを最大化するであろうが、バイオリアクターアセンブリの好ましい実施形態は、圧力容器内の複数の並列バイオリアクター、及びバイオリアクターの外周と圧力の内側チャンバの内側周辺表面との間の、流体流動経路に沿った実質的な自由空間を含む。
丈夫な流体流動経路を提供するために、バイオリアクターは、好ましくは圧力容器の内側チャンバの直径よりも小さい外側直径を有する。さらにより好ましい実施形態において、圧力容器の内側チャンバは、対向する端部の間の軸（Ｙ’）に沿って延びる。（断面が測定される地点に位置することができるバイオリアクターの）流動チャネルの面積を除く、内側チャンバの断面積（すなわち、軸Ｙ’に垂直な方向で、軸Ｙ’に沿って任意の位置）の少なくとも１５％（より好ましくは２０％、２５％、またはさらに３０％）は、流体流動経路へアクセス可能な自由空間である。この配置は、各バイオリアクターに圧力降下が小さい供給流体の平行流動を供給する、内側チャンバを通る適切な流体の流れを提供する。
別の実施形態において、図５Ａ、５Ｃ、及び７Ａに示されるものとは異なり、バイオリアクターの出口領域を通過する前処理水は、容器の２つの異なる端部から取り除く。（これは、図２Ｂに示される超濾過モジュール形態と同様であり、中央中空導管内で圧力降下の小さい流れをもたらす。しかしながら、より大きい流れでより大きな圧力降下が予期されるため、この場合より重要になり得る。）これに関連して、バイオリアクターを含有する圧力容器は、３つのポート、対向する端部に２つ及び中央に１つのポートを含むことができる。別の実施形態において、容器内にあるバイオリアクターの間での流れの相違は、個々のバイオリアクターに対して異なる流動制限を適用することによって低減され得る。例えば、流体の通過のための中空導管内に小孔を使用して、アセンブリのエネルギー効率を減少させるが（より大きい圧力降下）、均一性も改善するであろう。同様に、中空導管内の流動制限器を使用するという条件で、より大きな流れの特定の位置から流れを低減することができる。
図８は、加圧された供給流体（８８）の供給源との接続のために適合され、複数の超濾過アセンブリ（３８）から上流に配置された、複数のバイオリアクターアセンブリ（７２、７２’）を含む、処置アセンブリ（８６）の実施形態を図式的に示す。バイオリアクターアセンブリ（７２、７２’）内のバイオリアクター（５２）は、圧力容器内（７３）で、並列配置または直列配置のいずれかで配置することができる。一実施形態において、バイオリアクター（５２）は、渦巻き状シート（５４）及び供給液スペーサー（５８）を備える。別の実施形態において、バイオリアクター（５２）は、中空中央導管（７０）、及び生物成長表面を提供し、流体的に中央中空導管と周囲の多孔質外表面を接続する流動チャネルを画定する、媒体（例えば、粒子、繊維、網織物／スペーサー、シート）を含有する多孔質外表面（５５）を備える。代表的な供給流体としては、汽水、海水、及び廃水が挙げられる。アセンブリは、所望の流体圧力を生成するために、１つ以上のポンプ（９０、９２）を含むことができる。好ましくは、ポンプ（９２）は、バイオリアクター（５２）用の低圧容器（７３）と、超濾過膜モジュール（２）用の高圧容器（４０）との間に、少なくとも存在する。アセンブリ（８６）は、流体供給の供給源（８８）から低圧容器（７３）の第１のポート（８０）へ、バイオリアクター（５２）を通って第２ポート（８２）の外へ、高圧容器（４０）の供給液ポート（４２）へ、膜モジュール（２）を通って濃縮液ポート（４３）及び透過液ポート（４４）の外へ延びる、（矢印によって一般的に示される）流体流動経路を含む。複数の超濾過アセンブリ（３８）の濃縮液（４３’）及び透過液（４４’）は、組み合わせられ、任意で追加処理を受ける、例えば、超濾過アセンブリでのさらなる処理（図示せず）。バイオリアクターアセンブリ（７２）及び超濾過アセンブリ（３８）は、標準配管、弁、圧力センサーなどによって接続することができる。好ましい実施形態において、バイオリアクターアセンブリ及び超濾過アセンブリは、バイオリアクターアセンブリを通る流れの圧力降下が、（２５℃で純水、及び１５ｇｆｄの超濾過アセンブリを通る流量を用いて、非汚染アセンブリを用いて始動時に測定される）超濾過アセンブリを通る圧力降下の１０％未満であるような寸法である。濾過システムの好ましい実施形態において、バイオリアクターアセンブリ内の生物成長表面の総面積は、並列高圧容器の後続の段における先頭（直列の１番目）の超濾過モジュール内に含まれる膜面積の総和より大きい。超濾過アセンブリは、好ましくは、少なくとも９０％、より好ましくは９５％の透過液回収率で動作される。この高レベルの透過液回収率動作は、上流バイオリアクターアセンブリによって提供される生物付着防止によって持続可能である。
図８に示される実施形態において、弁（９４）は、各バイオリアクターアセンブリ（７２）の第１及び第２のポート（８０、８２）付近で配置される。弁（９４）は、バイオリアクターアセンブリ（７２）を、加圧された供給流体（８８）の一般の供給源、及び他のバイオリアクターアセンブリ（７２’）から隔離することを可能にする。この手段において、他のバイオリアクターアセンブリ（７２’）が、供給流体がそれを通過して動作し続ける一方で、個々のバイオリアクターアセンブリ（７２）は、オフラインにし得る。いくつかの実施形態において、ポータブル洗浄システムが、隔離されたバイオリアクターアセンブリ（７２）に接続され得る。図８において、処置アセンブリ（８６）は、バイオリアクターアセンブリ（７２）の第１のポート（８０）から、洗浄剤の供給源（９８）を通って、第２のポート（８２）へ延び、低圧容器（７３）内の個々のバイオリアクター（５２）を通って、第１のポート（８０）でアセンブリ（７２）から出る、洗浄流動経路を含む、任意の洗浄アセンブリ（９６）を含む。
バイオリアクターアセンブリ（７２）は、動作モードと清掃モードとの間で交代してもよい。動作モードにおいて、第１のポートからの流体は、並列バイオリアクター（５２）を通過し、入口渦巻き面（６４）から出口渦巻き面（６６）へ、第２のポート（８２）でバイオリアクターアセンブリから出る。洗浄流動経路は、逆もあり得、または流動方向の組み合わせが使用され得る。洗浄アセンブリは、別個のポンプ（１００）及び弁アセンブリ（１０２）を含むことができる。洗浄アセンブリ（９６）及び関連する流量経路は、超濾過アセンブリ（３８）から隔離され、したがって、広範囲の洗浄剤が、超濾過アセンブリ（２８）の膜の本来の姿を損なうことなく使用することができる。代表的な洗浄剤としては、ｐＨ２未満を有する酸性溶液、ｐＨ１２超を有する塩基性溶液、殺生物剤を含む溶液、高温の水溶液（例えば、４０℃、６０℃、または８０℃超）、及び酸化剤、例えば、塩素水溶液（例えば、少なくとも１０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、またはさらに１０００ｐｐｍの塩素）が挙げられる。好ましくは、洗浄流体は、バイオリアクター内で１０秒未満（１〜１０秒）の平均滞留時間を有し、より好ましくは、平均滞留は、バイオリアクター内で５秒未満である。
洗浄後、バイオリアクターアセンブリ（７２）は、例えば、１つ以上の洗浄水、供給流体、または洗浄アセンブリに関して説明されたものと同様の様式で微生物を含む接種溶液を用いて流し出すことができる。接種溶液は、バイオリアクターアセンブリからあらかじめ抽出された液体を含み得る（例えば、洗浄前または洗浄中）。栄養物もまた、動作モードの少なくとも一部の間に投与されてもよい。好ましい実施形態において、バイオリアクター（５２）またはバイオリアクターアセンブリ（７２）にわたる圧力差は、動作モードで測定され、動作モードから清掃モードへの切り替えは、測定された圧力差によって生じる。好ましくは、バイオリアクターアセンブリ（７２）にわたる圧力差は、洗浄モードの後、１０ｐｓｉ未満である（より好ましくは、５ｐｓｉ未満）。一実施形態において、清掃モードは、バイオリアクターの測定された圧力降下が１０ｐｓｉを超えた後、またはより好ましくは、それが、２０ｐｓｉを超えた後に開始する。
本発明の多くの実施形態が記載され、いくつかの場合、ある実施形態、選択、範囲、構成物質、または他の特性は、「好ましい」と特徴付けられている。「好ましい」特性のそのような指定は、本発明の本質的または重大な側面として解釈されることは決してない。例えば、渦巻き状バイオリアクターは利点を有するが、様々な代替構成が、中空糸、プレート、及びフレーム、微粒子の充填床、及び流動床を含む得ることが理解されるであろう。他の形態に関して、バイオリアクターは、円筒状であり、流動チャネル（６８）は、バイオリアクターの容積の少なくとも６５％（より好ましくは、７５％、さらに８５％）の空隙容積を有するバイオリアクターを通って延び、各バイオリアクターの生物成長表面と各バイオリアクターのバイオリアクター容積の比率は、１５ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１の間（より好ましくは、２０ｃｍ−１〜１００ｃｍ−１の間）であることが依然として好ましい。
追加の実施形態及び特徴が、米国特許出願第ＵＳ６２／１４８，３６５号（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１５／０５１２９７号）、米国特許出願第ＵＳ６２／１４８，３４８号（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１５／０５１２９７号）、及び米国特許出願第ＵＳ６２／０５４，４０８号（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１５／０５１２９５号）に記載されている。前述の特許及び特許出願のそれぞれの内容全体が、参照することによって本明細書に組み込まれる。

Claims (8)

  1. 供給水を処理するためのバイオリアクターアセンブリであって、
    ｉ）断面積を有する内側チャンバを画定する内側周辺表面と、前記内側チャンバへの流体アクセスを提供するように適合された第１及び第２のポートと、を備える圧力容器（７３）と、
    ｉｉ）前記内側チャンバ内に位置する複数のバイオリアクター（５２）であって、各バイオリアクターが、外周、及び入口領域から出口領域へ生物成長表面に沿って延びる流動チャネルを含む、複数のバイオリアクターと、
    ｉｉｉ）供給水の供給源との接続のために適合され、かつ前記圧力容器の前記第１のポートから、各バイオリアクターへの平行流動パターンに沿って、各バイオリアクターの前記流動チャネルの中に、そして圧力容器の第２のポートの外へ延びる流体流動経路と、を備える、バイオリアクターアセンブリ。
  2. 前記バイオリアクターが、前記圧力容器の前記内側チャンバ内に直列配置で配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
  3. ｉ）前記圧力容器の前記内側チャンバが、対向する端部の間の軸（Ｙ’）に沿って延び、ｉｉ）前記流動チャネルの面積を除く、前記内側チャンバの前記断面積の少なくとも１５、２０、２５、３０％が、前記流体流動経路へアクセス可能な自由空間である、請求項１に記載のアセンブリ。
  4. 前記バイオリアクターの前記外周が、容積を画定し、前記流動チャネルが、前記バイオリアクターの前記容積の少なくとも６５％を構成する、請求項１に記載のアセンブリ。
  5. 前記バイオリアクターの前記外周と前記圧力容器の前記内側周辺表面との間に位置する少なくとも１つのスペーサーをさらに備え、前記スペーサーが、前記圧力容器の前記内側周辺表面と前記バイオリアクターの前記外周との間の前記流体流動経路を保持する、請求項１に記載のアセンブリ。
  6. 前記バイオリアクターの前記外周が、容積を画定し、前記生物成長表面が、表面積を有し、生物成長表面積とバイオリアクターの容積の比率が、１５ｃｍ−１〜１５０ｃｍ−１である、請求項１に記載のアセンブリ。
  7. それぞれが複数のバイオリアクターを備える複数の圧力容器をさらに備え、前記個々の圧力容器が、供給水の前記供給源から延びる前記流体流動経路に対して並列配置で配置され、各圧力容器が、圧力容器からの流れを遮断するための弁を含み、それにより、圧力容器が、供給水の前記供給源から隔離され得る、請求項１に記載のアセンブリ。
  8. 下流に位置し、前記圧力容器の前記第２のポートに流体アクセスする濾過装置をさらに含み、前記圧力容器が集合的に、処理された供給水の供給源を前記濾過装置へ提供する、請求項１に記載のアセンブリ。
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