JPS63291606A - 流体用分離器 - 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】 （イ）産業上の利用分野 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
１ｃｍ以下の管状（パイプ状）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りも中空部
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
入させる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）、口）および、ハ）に
示すものが本発明で用いる細管の代表例である。同図イ
）および口）に示す細管は、細管側壁の一部３の内部は
中空部ｌ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。同図ハ）に示す細管は、その一端
７のみが開口しており、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。

「中空繊維状膜より剛直である」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り大きい
ことを意味しており、通常、細管のヤング率は１０９ｄ
ｙｎ　／　ｃｒＡ以上が望ましく、１０Ｉ０ｄｙｎ／ｃ
ｄであればさらに好ましい。細管のヤング率が膜のそれ
よりも大きければ、細管と膜を構成する素材は同一でも
よい。

（ハ）従来の技術 中空繊維状膜は血液透析用膜、限外濾過用膜、逆浸透用
膜、気体分離用膜として医療・医薬品工業、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
数十人から数十μま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、より
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り扱い易く、
また、濾過方法として流体を流しながら濾過するいわゆ
る平行濾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ある。

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を束にしてそ
の両端を接着材等に埋め込み、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Ｉから数μ！といっ
た微量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
スト高となり工業的には実用性に乏しい。さらに、有効
膜面積が小さくなれば、濾過流体の量はＷＩＩｔ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
なる何種類かの脱装着器を用意せねばならず、実用的で
ないばかりか、１００Ｊ１１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りが顕
著である。

（ニ）発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、上述のような現状を考慮して、Ｉ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にある。

（ネ）課題を解決するための手段 本発明に係る流体用分離器は、中空繊維状膜の中空部内
部に中空繊維状膜より剛直であって、側壁に貫通孔を有
する細管が挿入配置され、細管が中空繊維状膜の少くと
も一端において中空繊維状膜から外へ突出した状態で細
管と中空繊維状膜とが接合されてなることを特徴とする
。

本発明の特徴は、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Ｍ液窩入路として機能
することである。細管は上記（１）の目的を満たすため
に膜より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り外方に突出し
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
のもつ孔より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
きる限り多い方が望ましい。

第２図は本発明に係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３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と膜
８とが接合された構造を持つ。細管９の一方の開口端７
から導入される供給流体１５は貫通孔１３　、１３　’
を経て膜８の側壁を通過して、濾過流体１６となる。

垂直濾過を行う場合、細管開口端７′をシリコンゴム等
でシールし、もう一方の細管開口端７より供給流体１５
を７−１−１３　（１３’）　−１０の流路で流し濾過
流体１６を得ることができる。

第４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を用いたも
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、開管を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あるいは７′から清浄な水あ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り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２，４お
よび５図に示した位置に限られるものではなく、接着部
１４　、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６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７図は、管の中部に閉塞部分を持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濾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４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、濾過速度が大きければ平
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、垂直濾過
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り小さな空間に太きな膜面積を確保
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８図に示すように細管をある角度を持って折
り曲げれば、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、濾過流体の捕集を容易にす
ることができる。第９図に示すように曲線的に曲げても
同様である。第８図および第９図には、開管の場合を示
したが、これは閉塞管、閉管、片閉塞管であっても同様
であり、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り容易に供給できる。第１０図は
、側壁部に２個の貫通孔をもつ開管の一端に接続部品２
０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、片閉塞管を用いた場合も同様である。

第１０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たてて濾過した場合、供給流体中に
浮遊する粒子などは膜上に付着・堆積しにくり、膜上よ
りはが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、膜の目づまり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ある。

堆積物を回収するには、例えば、接着部１４’のすぐ上
部の膜を切り開いて、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１０
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の上下動により、１１２面が振動するとともに
、供給流体が繰り返し膜面を洗うので平行濾過となり、
堆積物の膜面への付着を防止することができる。

第１１図は、注射器に接続した開管を用いた分離器の、
注射器に接続されてない開管開口端から注射器により試
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１０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
上げたり、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、数十４以
下の場合には第１１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１２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′を押し下げるこ
とで再び注射器筒１８に供給液１５が流れ込む。このよ
うに繰り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１０ｍ１以下というような少量の場
合には、第１２図に示すような分離器により、供給液の
損失を最小限にして平行濾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のとおりである。

以下余白 表１ 表１に示すように、例えば中空部内径が０．２　ｃｍの
中空繊維を１５ｃｍ用いると有効膜面積約９．５　ｃ［
Ｉｌ（これは直径４１ｗｒｍの平面状膜を用いた分１＝
’ｔＨＴＭの平均的な有効膜面積と等しい）、細管の堆
積を無視した充てん容量が５００４の分離器を構成する
ことができる。内径が０．０３　ｃｍ　（３００ｍ）の
場合には、長さ１０ｃｎ＋で有効膜面積１ｃｏＩ、充て
ん容量７μ！、長さを１ｃｍとすれば、実に充てん容量
１！ｌ！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１３図に示すように、供給流体１５がシリコンゴムな
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の開閉により８周節できる。

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
より迅速に、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、モジヱ
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、作業
等の大幅な中断を回避でき、かつ、膜の無駄もない。

第１４図は、供給流体１５がガラスあるいは金属などの
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１５図は、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、膜の外へ濾過流体を取り出す濾過方式の他
に、中空繊維状膜外部に供給流体を流し中空繊維状膜内
部に透過流体を取り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り透過効率
の低下、透過流体の捕集不能などが起りやすかった。

第１６図に、細管中空部側壁に１４個の貫通孔を持つ閉
管を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に接続されており、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１６を１０＝１３−１の順路で注射器筒１８内に導
くことができる。吸引により細管中空部側壁３と膜８は
接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り、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、各種酵素反
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）、口）およびハ）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り、 第２図は、本発明の流体分離器の構造の一例を示す断面
図であり、 第３図は、第２図に示す２つの貫通孔をもつ細管の外観
を示す図であり、 第４図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であり、 第５図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であり、 第６図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であり、 第７図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であり、 第８図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であり、 第９図は、本発明の流体分離器の構造のさらに他の一例
を示す断面図であり、 第１０図および第１１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
であり、 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一例を示す断面図であり、 第１３図は、本発明の流体分離器の利用形態の他の一例
を示す説明図であり、 第１４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り、 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り、 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・・・細管閉塞部側壁、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　’・・・側壁貫通
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・・・容器、 ２４・・・チューブ（例えばシリコンゴム管）、２６・
・・ピンチコック、　　２８・・・シリコンゴム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、中空繊維状膜の中空部内部に中空繊維状膜より剛直
   であって、側壁に貫通孔を有する細管が挿入配置され、
   細管が中空繊維状膜の少なくとも一端において中空繊維
   状膜から外へ突出した状態で細管と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。