JPH08502923A - 交差流ミクロ濾過法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低い膜横断圧力（ＴＭＰ）およひ定常状態操作で動作を開始し、次いで動作の開始が不安定になるまで反復法によってＴＭＰを増大させ、次いで動作が再び確立されるまでＴＭＰを徐々に逆低下させる、ことを特徴とする交差流膜濾過モジュール中に実質的に定常状態の交差流濾過流を確立する方法。１つの好ましい態様は、浸透物圧力が濃縮物圧力に等しいような流れの長さを描写する濾過モジュールを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】 交差流ミクロ濾過法発明の背景 本発明は液体からの、特に水、廃水、工業用廃液、および工業用処理流からの 、懸濁Ｈ。およびコロイド化した固体および／または乳化油を除去するための交 差流ミクロ濾過法（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ） に関する。 交差流濾過はコムストックらの１９９１年９月１０日発行の米国特許第５，０ ４７，１５４号に詳細に記載されており、該米国特許を引用によってここにくみ 入れる。コムストックらの上記特許の第２欄２１〜３１行に記載されているよう に、交差流濾過装置は低下する濾過フラックスが低下するという難問をもってい る。水性系から除去しようとする物質が、粗ビートジュースまたは高フラクトー スコーンシロップ（ＨＦＣＳ）のような処理流に代表的に見出されるような懸濁 タンパク固体を含むときにこの問題はとくに急性である。 コムストックらは、駆動差圧が一定に保たれるときほぼ一定のフラックス量の 定常状態で操作することの望ましさを認識しているが、実施においてそのような 条件を達成することができないことを認めている。コムストックらはこの問題を 解決することができなかったので、時間平均交差流を増大させる方法を提案した 。すなわち多孔質ミクロ濾過媒質を通る液体の濾過フラックスを、濾液面の可変 絞り圧を採用することによって全濾過操業中予めえらばれた実質的に一定の値に 濾過フラックス量を保ち、そして平衡フラックス量よりも大きい予め定めたフラ ックス量を保つのに必要な差圧の瞬間値を制御するように操業中絞り圧を減少さ せる。 コムストックらの方法において、濾過操作が進行するにつれて、絞り圧は連続 的に減少し、所望の一定値にフラックス量を保つための差圧は増大する。濾過操 業の終わりにおいて、コムストックらの方法は通常の流れに似ている（第８欄、 ４１〜４９行）。コムストックらはこの時点で装置をシャットダウンして洗浄す ることが必要であると認めている。 交差流濾過装置の定常状態の操業を達成することが実施の上で依然として望ま しい。発明の要約 本発明はこのような定常状態の交差流フラックスを交差流膜濾過システムにお いて確立する方法を提供することによって当該技術に更なる改良を与える。本発 明の要点は反復法によって最大の膜横断圧力を決定し、それによって膜横断圧力 を始めの低い割合に保つことである。この低い割合において、この方法は定常状 態にあり、そして濃縮物の圧力または浸透物の圧力のようなプロセスパラメ一タ が変わり始め、次いでわずかに減少して定常状態の条件になる点まで徐々に増加 する。このシステムを次いでこの点に保つ。この方法の利点として、逆フラッシ ングおよび／または他の洗浄のためのシャットダウンの必要のない長時間の操作 を可能にする、そして定常状態の操作を可能にする最高の膜横断圧力で操作しう る、定常状態の操作かあけられる。１つの態様において、本発明の方法に使用す る濾過モジュールは、浸透物圧力が濃縮物圧力に等しい流れの長さをもち、定常 操作中に達成しうる通過（１パス）当りの最大回収を形成する。後者は膜の全長 にそって汚れがないことを必要とする。すなわち、任意の点において、浸透物の 流れによって生ずる汚れの膜面への析出速度は、交差流の流れの接線剪断力によ って生ずる汚れ除去の速度とは正反対である。一回通過当りの最大回収の基準の 意味するものは、最大の定常状態のフラックスまたは浸透物の流れ は交差流速度が増大するにつれて増大するという関係である。 本発明のシステムの特別の利点は、定常状態の条件下に操作することによって 、システムをシャットダウンして膜を洗浄する必要がある程度には膜が汚れるこ となしに装置を長時間操作することか可能であるということである。このシステ ムは商業的に実用的である。逆フラッシングおよび／または他の洗浄の必要なし に数日間または数週間操作することができるからである。図面の簡単な説明 図１は本発明の定常状態操作においてえられる供給物、濃縮物、および浸透物 の圧力を示すグラフである。発明の詳細な記述 本発明の方法は使用する濾過膜または装置とは無関係である。濾過モジュール は任意の形態で使用することができるが、一般には直列、並列、または両者の組 合せで使用され、並列が一般に使用され、任意の方法て配置されるが、代表的に は水平または垂直のいずれかである。本発明の実施に使用することのできる代表 的な濾過膜としてたとえば１９８９年１月１７日発行のロエシンクらの米国特許 第４，７９８，８４７号に記載の膜があげられる。該米国特許を引用によってこ こにくみ入れる。他の有用な膜は１９９１年１２月３１日発行のロエシンクらの 米国特許第５，０７６，９２５号および１９９２年３月１７日発行のヌグウイエ ンの米国特許第５，０９６，５８５号に記載されている。最も好ましいのはブレ ンドまたはコーティング変性によって親水性が変性された疎水性膜である。 膜は管状、毛管状、平らなシート、中空繊維、またはラセン巻きの膜であるこ とができ、毛管孔供給部をもつことが一般に好ましい。 膜の有効孔径は約０．０１〜約１０ミクロン、一般には０．１〜１．０ミクロン の範囲にあるのが望ましい。すなわちＡＳＴＭ方法Ｆ３１６−８５によって定義 して平均の流れ孔径が０．０１〜１０ミク ロンであるのが望ましい。 ここに使用する次の用語は次の意味をもつ。 供給圧力（Ｐ_F）は濾過モジュールに入る供給物の圧力である。濃縮物は濾過モ ジュール内に含まれる膜め中の浸透しない供給物の部分である。 濃縮物の圧力（Ｐ_c）は濾過モジュールを出る濃縮物の圧力である。 浸透物圧力（Ｐ_P）は管の外部で集めた浸透物の圧力である。 膜横断圧力（ＴＭＰ）は濾過モジュール内に含まれる膜を横切る圧力であり、 １／２（Ｐ_F−Ｐ_c）−（Ｐ_P−Ｐ_c）である。 上述のように、本発明は定常状態の操作が反復法によってえられる交差流ミク ロ濾過法である。この方法は従来の通常の装置で使用するよりも著しく低い膜横 断圧力をもたらす条件下で操作を始めることを含む。鮮明に減少する浸透物の流 れによって示される迅速な膜の汚れが観察されると、低いＴＭＰが使用される。 そうでなければ、ＴＭＰは徐々に増加してプロセスパラメータが時間と共に変化 する点に至る。この点において、膜横断圧力はプロセスパラメータが実質的に一 定な点にまで減少し、装置は実質的に膜横断圧力に保たれる。 種々の技術か膜横断圧力の制御のために存在する。好ましい態様において、こ れは浸透物の圧力を、たとえば浸透物ライン中のラインの使用によって、制御す ることによって達成される。当業者によって認識されるように他の技術も好適で ある。 １つの好ましい態様において、ＴＭＰは浸透物圧力が濃縮物圧力に等しいか又 はこれより大きいように保たれる。浸透物圧力をできるだけ密に濃縮物圧力に等 しく保つことが好ましい。若干の装置において、たとえば粗ビートジュースまた は高フラクトースコーンシロップの流れを処理する装置において、これは、単一 通過について、 回収は約６％以下の水準に最大化される。 本発明の目的のために、定常状態とはフラックス、濃縮物圧力、浸透物圧力、 供給物圧力、温度などを含む種々のプロセスパラメータが長時間にわたって比較 的一定に保たれることを意味する。特に重要なのは、膜の汚れ率がゼロであるこ とである。これは浸透物の流れによってはこばれる汚れの膜表面への析出率が交 差流の流れの接線剪断力によって誘発される汚れ除去率によって相殺されること を意味する。これらのパラメータが比較的に一定に且つ等しく保たれるとき、装 置をシャットダウンして膜を逆フラッシュまたは化学洗浄する必要なしに交差流 ミクロ濾過装置の連続操業を保つことが可能である。「実質的に一定」とはプロ セスパラメータが全く変わらないことを意味しない、ということを認識すべきで ある。たとえば、実用上の場合に、濃度、温度などの供給条件は日常的に変わる 。この方法の特別の利点は、装置の小さな破損が装置をシャットダウンして膜を 洗浄する必要をもたらす高価な膜の汚れを導かないことである。 装置のパラメータが供給および他の因子の性質に依存しないことが認められる けれども、本発明の方法は高い初期フラックス量で且つ定常状態の条件の不在で 通常に操作される装置に存在する膜の汚れによる装置への遥かに少ない破損をも たらす。それぞれの装置は変わるけれども、本発明の定常状態プロセスは逆フラ ッシングまたは他の洗浄のために方法を停止する必要なしに長期間すなわち数日 または数週間、交差流ミクロ濾過の操作を可能にする。高い圧カ条件下で操作さ れ、高い初期フラックス量を得るが、逆フラッシングなどのために屡々すなわち 数分または数秒でシャットダウンしなければならない装置と比べたとき、本発明 の方法は高い平均フラックス量を得る。 本発明はミクロ濾過によって分離されるべき成分を含む種々の流 れの処理において有用である。このような流れの例として、粗ビート流出物の流 れおよび高フラクトースコーンシロップの流れのような砂糖生産の操業からの流 出物の流れがあげられる。またこの方法は石洗浄操作において存在するようなラ ウンドリイ用途からの廃液流の処理にも有用である。 次の実施例は本発明を具体的に説明するためのものであって、本発明を限定す るものと解すべきではない。 実施例１ 本発明による操作を説明するものとして、ミクロ濾過モジュール（Ｆｉｌｍ Ｔｅｃ パ−ト＃９０００６、ｌｍ²の表面積、０．２ミクロン細孔径）を使用 して、約２７．６ｋＰａの駆動差圧、約５％未満のワンパス回収率、および約６ ８℃の温度で０．４％懸濁固体（主としてタンパク質）を含む３０％の溶解した 固体デキストロースの溶液を濾過する。浸透物フラックス量の実質的変化なしに 数日間、実質的に定常状態の条件で濾過を続ける。供給物の濁度は約１５０ＮＴ Ｕであり、浸透物の濁度は約０．３７ＮＴＵであり（ネホロメータ濁度単位）、 デキストロースの全収率は９０％より大きい。 実施例２ 本発明にもう１つの説明として、０．４％の懸濁固体（主としてタンパク質） を含む３０％溶解固体糖化流出物を、２ミクロンの孔径および１ｍ²の表面積を もつポリエーテルスルホン−ポリビニルピロリドン膜を備える交差流ミクロ濾過 モジュールを使用して濾過する。供給物の流量は約０．６９ｌ／秒（約１．７ｍ ／秒の平均供給物速度を生ずる）であり、流れ方向は垂直である。ミクロ濾過を 約１４日間続け、結果を次の表Ｉに示す。この実験における初期の供給物濁度は 約１０８ＮＴＵである。試験したすべての試料の浸透物濁度は０．３２以下であ る。デキストロースの精製収率は二重濾 過なしに９９％より大きい。 表Ｉにおいて、３日目に駆動差圧の増加によって示される膜の汚れがあるよう にみえる、ことが注目される。然し逆フラッシングはほぼ１８時間行わず、この 時間のあいだは装置を操作しつづけ、その終わりに逆フラッシングを必要としな かった。操作の１２日目付近で、凝縮水の偶然のシャットダウンにより供給物温 度が著しく低下して生物学的成長をもたらし、浸透した供給物の％が次いで低下 した。生物学的成長にもかかわらず、装置は浸透物を生産しつづけた。 実施例３ この実施例において、３８％溶解固体および３６デキストロース当量（ＤＥ） を含み非濾過コーンシロップの試料を処理する。供給物の濁度は８００ＮＴＵ（ ネホロメータ濁度単位）であり、交差流ミクロ濾過膜装置に導入する前に６００ ミクロン・フィルターにより粗く濾過する。使用した膜は１０ｍ₂の表面積およ び０．２ミクロンの孔径をもつ膜である。えられた結果を図１および表IIに示す 。表IIにみられるように、供給物温度は１７５゜Ｆから１８５゜Ｆに変わり、膜 横断圧力は操作の初めに３４−８３ｋＰａあり操作の終わりに３７．４８ｋＰａ である。操作の経過中、圧力は低い３２．８４ｋＰａから高い３８．９６ｋＰａ に変わる。Ｆｐは４．００ガロン／分で始まり４．０２ガロン／分で終わること にも注目すべきである。このことは方法を停止して逆フラッシングまたは他の洗 浄する必要なしに１５時間のこの特定の操業にわたって比較的に一定の流量であ ることを示すものである。 本発明により操作するとき、浸透流量の著しい減少なしに多くの週間にわたっ て逆フラッシングなしに濾過が続けられることが見出された。逆フラッシングは 供給物および濃縮物の流れの方向を、浸透物の弁を閉じて又は閉じることなしに 、逆にすることによって達成される。逆フラッシング中の供給流速の増大を実施 することができるが、一般には必要ない。他の伝統的な種類の逆フラッシングた とえば浸透物のモジュール中への逆ポンプ輸送も他の伝統的な方法と同じように 膜を再生する。逆フラッシングが必要または望ましいときは、もとの流量は、フ ィルタが生物学的に汚れていない限り、ほぼ達成される。逆フラッシングは所望 ならば水を使用して行うことができる。 生成物の全収率は本発明の方法の方法により二重濾過の必要なしに９９％以上 であることが実証された。これは９０％までの収率でさえすぐれていると考えら れる従来技術よりも著しい改良である。また、生成物の流れの濁度は従来技術の 方法よりも著しく改良される。 濾過を中止して洗浄を行うことは代表的に必要でないけれども、他の理由で装 置をシャットダウンするときに膜を洗浄することは可能である。本発明による操 作後のモジュールの洗浄は冷水道水、熱水道水の双方で実証された。生物学的攻 撃を受ける流れを処理するとき、２５０ｐｐｍの漂白液ならびに他の殺菌剤がも との流量を再生するために必要でありうる。 本発明の方法によりモジュール供給速度の増大はより高い膜フラックスを可能 にし、最大フラックスと交差流速度との比は実質的に一定にとどまる。 当業者によって理解されるように、本発明の精神または範囲から逸脱すること なしに本発明において種々の変性を行うことができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年９月１４日 【補正内容】 補正された請求の範囲 １．（ａ）始めの低い膜横断圧力で開始し、 （ｂ）膜横断圧力を、濃縮物圧力と浸透物圧力を含むプロセスパラメータが 時間と共に変わり始める限定膜横断圧力に徐々に増大させ、 （ｃ）膜横断圧力を、該パラメータがもはや時間と共に変わらない定常状態 の膜横断圧力に減少させ、そして （ｄ）この定常状態の膜横断圧力を保持する、 ことを特徴とする交差流濾過モジュール中に本質的に定常状態の交差流濾過プロ セスを確立し保持する 方法。 ２．膜横断圧力を、浸透物圧力が濃縮物圧力に等しいように保つ請求項１の方法 。 ３．単一通過の回収を、供給物流の約６％以下の水準にまで最大化する請求項２ の方法。 ４．膜がポリエーテルスルホンとポリビニルピロリドンとのブルンドを包含する ミクロ濾過膜である請求項１の方法。 ５．膜が約０．０１〜約１０ミクロンの平均孔径をもつ請求項４の方法。 ６．供給物が膜および懸濁固体を通って浸透しうる少なくとも１種の糖の水溶液 を包含する請求項１の方法。 ７．固体不純物が膜を実質的に浸透しえない懸濁タンパク質固体を含む請求項６ の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．始めに低い膜横断圧力を保ちそして膜横断圧力を濃縮物圧力と浸透物圧力を 含むプロセスパラメータが時間と共に変わりはじめる点まで徐々に増大させ、次 いで膜横断圧力を該パラメータがもはや時間と共に変わらない点に減少させる、 ことからなることを特徴とする交差流膜濾過モジュール中に本質的に定常状態の 交差流濾過速度を確立させる方法。 ２．膜横断圧力を、浸透物圧力が濃縮物圧力に等しいように保つ請求項１の方法 。 ３．単一通過の回収を、供給物流の約６％以下の水準にまで最大化する請求項２ の方法。 ４．膜がポリエーテルスルホンとポリビニルピロリドンとのブレンドを包含する ミクロ濾過膜である請求項１の方法。 ５．膜が約０．０１〜約１０ミクロンの平均孔径をもつ請求項４の方法。 ６．供給物が膜および懸濁固体を通って浸透しうる少なくとも１種の糖の水溶液 を包含する請求項１の方法。 ７．固体不純物が膜を実質的に浸透しえない懸濁タンパク質固体を含む請求項６ の方法。