JPS62140609A - 濾過分離装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は濾過分離装置に関する。さらに詳しくは各種高
分子量物質を溶質とし、微生物、細胞、その池の做拉子
を含む懸濁液よりこれらの懸濁成分の分離を必要とする
食品、医薬品工業を始めとする各種産業分野て用いられ
る濾過分離装置に関する。

［従来の技術］ 食品、医薬品工業等に於いては発酵槽や培養槽、反応器
等の中で生産された低分子量物質と、微生物や培養細胞
、未反応固形物や異物といった有形、成分との分離が行
われている。逆に生産物としての微生物、細胞を得る場
合にも培地との分離、成育を阻害する老排物除去の目的
で分離が行われている。このような懸濁液すなわち分子
量１０００〜２０（ｌ　００００の高分子量物質を溶質
として含み、さらに１〜］　ｌ）　０１）μｍの大きさ
の粒子を含む懸濁液よりの各粒子成分の分離方法として
は、遠心分離、深層濾過、精密濾過、限外濾過法等が主
として用いられている。

深層濾過法はアスベストや濾紙、ガラス繊維等から作ら
れる、繊維状シートあるいはマットと厚みを持たせた濾
材とし、懸濁液中の懸濁成分を、１．！村山に捕捉する
ことによって分離を行う。

精密濾過法、限外濾過法は主としてフィルター表面で除
去が行われる表層濾過法であり、前者は深層濾過法に比
べてより正確な分離ができる。

限外濾過は各種ゲル物質等で作られる半透膜を用いて、
圧力を加えて難濾過性のコロイド溶液をａｔ過するもの
である。

［発明が解決しようとする問題点コ 遠心分離法は、このような懸濁液の清澄化には良く用い
られる方法であるが、大量処理には機器がやや大がかり
になること、連続処理システムへの組込みがやっかいで
あり、分離中に汚染を受けやすいといった問題がある。

深層濾過法は、濾材として広く用いられていたアスベス
ｌ〜の発癌性、濾材の流出、分離精度の悪さ、濾過助材
の必要性がある等といった欠点がある。

精密濾過法、限外濾過法等の濾過分離法は、近年しだい
に応用が広まりつつあり、特に内径０．５ｍｍ〜ｌ　、
　Ｏｍｍ程度のキャピラリー状の濾過膜をもちいたちの
は、少ない体積で広い濾過面積が得られ、装置がコンパ
クトになるので有利とされている。

！−かしながら用いられる膜が有機高分子材料に限られ
るために耐熱、耐久性が低く、又膜と膜保持のための１
ｉＩ造体とを分解することができないため、濾過膜面の
目づまりを各種薬品や加熱などで除く処理が充分にでき
ず、寿命が短いという欠点がある。又キャピラリーを保
持するための端面加工が材で１によって困難な場合があ
り使用しうる材料が限らｈていた。セラミックや金属等
の各種無機材１４分用いたフィルターは、極めて高い耐
熱性を持ち、高温で処理することによって、目づまりし
た有機物を完全に焼却除去することができ長い寿命を有
するという利点があるが、上記に示したような細い中空
糸状に加工することができないために、濾過装置として
の効率の悪いものしか得られなかった。

［問題を解決するための手段］ 多孔質管状体を濾過材として用い、以下のように設定す
ることによって、懸濁液の清澄化法に見られる問題点が
解決しろる事が明らかとなった。

すなわち、多孔質管状体の内側あるいは外側に、懸濁液
か移動することが可能な間隙を形成する構造体を設置し
、該間隙を流路として懸濁液を管状体に対し実質的に平
行に流して、該懸濁ｌ夜の一部を多孔質管状体を通過せ
しめて濾過分離を行う。

構造体としては種々のものが考えられるが、例えば柱状
体あるいは筒状体を多孔質管状体の内側ないし外側に間
隔をおいて平行に設置する。多孔質管状体及びこれらの
柱状あるいは筒状の構造体は、各々容易に分解組立てが
可能な構造とし、各種形状の多孔質管状体と柱状体ある
いは筒状体を組み合わせることによって、形成される流
路の厚みを変更しうる機能をもたせる。　このように構
成された濾過分離装置を用いることによって、高分子量
物質を溶質とした懸濁液より有形成分を容易に効率良く
分離することができる。又使用後装置を分解して目づま
りを生じた管状体に各種の薬品、加熱処理を加えて再生
し、再度組み立てることによって再利用することができ
る。

［作用］ 高分子量物質を溶質として含む懸濁液の濾過分離を行う
には、濾過面に垂直に濾過を行う全濾過法では懸濁粒子
による濾過面の目づまりが急速に生じるので、濾過面に
平行に懸濁液の流れを形成しつつ濾過を行うタロスフロ
ー濾過法が有効である。

これは濾過面にそって流れを形成することにより、懸濁
粒子の堆積を軽減する効果があられれる為で、濾過面に
対する流速が速いほど即ち墾田断速度が大きいほどこの
効果が高い。

この速度を上げるには単位時間あたりの流量を増大させ
るか、流路厚を小さくすることが有効である。しかしこ
れまでは多孔質管状体を濾材として用いたものでこの点
が考慮された構造を有するものはなかった。

第１図ａは多孔質管状体の内側を濾過面とじて用いた場
合の本発明の基本概念を示したものである。多孔質管状
体１内に管状体より一定の間隙を保持するように柱状体
２を設置し、懸濁液３はこの管状体１と柱状体２の間隙
を流れる間に一部が濾液４として管状体１の外側に濾過
され、懸濁液は濃縮液５として反対側より流出する。ｂ
は、外側を濾過面として用いたもので、管状体１の外面
と、外側に設置した筒状体６との間隙に懸濁液３が流さ
れ、管状体１の内側に濾液４が流出する。

流路として用いられる間隙の厚みは、０．１　ｍｍ−１
０ｍｍ望ましくは、０．５１１１１１〜５　ｎｕａが好
ましい。

前述したごとく、この流路厚はより薄いほうが濾過面の
目づまり防止効果は高いが、０．１１１１ｍ以下になる
と懸濁粒子が流路につまる可能性が高くなり、前処理が
必要となる。又流路抵抗が大きくなるので送液圧が高く
なり好ましくない。１０　ｍｍ以上になると高い流速を
得るのに必要な送液量が多くなるため、送液に必要な動
力コストが大きくなり、濾過の効率が悪くなってしまう
。

濾過される各種の懸濁液は種々の性状を有しており、よ
り効果的な濾過を行うには墾田断速度と濾過に関与する
圧力、即ち隔膜圧差を適切に設定することが望ましい。

これらの設定範囲としては、墾田断速度は　１００〜１
００００　ｓｅｃ　　、隔膜圧差すなわち濾過分離装置
の懸濁液流入圧Ｐｉ、懸濁液流出圧Ｐｏ、濾液流出圧Ｆ
ｏの関係が（Ｐｉ十Ｐ　ｏ　）　／　２−　Ｆ　ｏ≦２
．０　Ｋｇ／　ｃｍ”であることが好ましい。墾田断速
度が１１〕θ以下であると粒子のけ着防止効果が得られ
ず、ｌ　ｌ）　０００以上では懸濁液に細胞成分か含ま
れる場合、この破壊が生じる可能性があり好ましくない
。隔膜圧差が２゜ＯＫ　ｇ／　ｃ　ｍ”以上であると、
膜面への懸濁粒子の１寸着力が大きくなり目づまりが生
じやすくなる。流路厚が可変であることはこの設定を容
易とし、広範囲な懸濁液への応用が可能となる。上記の
効果をより有効ならしめるためには、平均孔径が０　、
０１〜ｌＯμｍ、空孔率１５〜８０％の多孔質管状体を
用いることが好ましい。平均孔径が０．０１μｍ以下あ
るいは空孔率が１５％以下であると濾過速度が低下して
実用的でなく、又１０μｍ以上になると粒子の除去精度
が悪くなる。又空孔率が８０％以上であると多孔質体の
強度が低下して好ましくない。

なおここでの孔径は粒径が均一なポリスチレンラテック
スビーズ（ダウケミカル社″ユニフォームラテックスパ
ーティクルズ°′）の捕捉効率より求めたものである。

即ち、固形分濃度０．１ｗｔ′ｇに希釈した液を　１０
０１　　通過させ、次式より捕捉効率を求める。

捕捉効率（％）＝（Ｃｆ−Ｃｐ）／ＣｆｘｌＯＯＣｆ：
原液のラテックス濃度 Ｃｐ：濾液のラテックス濃度　。

粒径の小さい物よりこの捕捉効率を求めていき、この値
が１００％になった時の粒径をもって孔径とする。　又
空孔率は、以下の式によって求めた。

空孔率（％）＝空孔容ｆ／多孔体容績×Ｉ００多孔質管
状体の素材としては、フッソ系、オレフィン系を始めと
する有機高分子材料や、酸化アルミニウム、窒化ケイ素
等のセラミック、ステンレス等の金属といった無機質材
料、あるいは両者の混合材料からなる多孔質体であれば
どのようならのでも良いが、本発明の濾過分離装置にお
いては、セラミックや金属等の無機質材料のものが特に
有効である。これは、これらの無機質材料を用いたフィ
ルターは、有機高分子材料のもので見られるような、細
い中空糸状に成形することかできないため濾過効率の悪
いものしか得られなかったからである。本発明によって
、この欠点を解決した効率が良く耐熱、耐久性に優れた
フィルターを得ることが可能となった。

各構成部分を容易に分解できることは、濾材部分の熱や
薬品処理を充分に行うことが可能となり、生じた目づま
りを除去し濾材を再生することが容易となる。酸、アル
カリ等の薬品に対する耐久性という点ではフッソ系の有
機高分子材料が優れてはいるが長期にわたる使用では、
劣化は避けられない。セラミックはこの点耐久性能に優
れ、１０００°Ｃ以上の高温にも十分耐えるので、目づ
まりを起こした有機物質を完全に焼却除去することがて
き極めて有用である。

濾過面への懸濁粒子の付着防止効果をより高めるために
多孔質管状体あるいは柱状体、筒状体の表面に凹凸を形
成させることも好ましい。これは流れの中に乱流を発生
させてこれによる粒子のｊ１１離効果を利用するもので
、例えは高さ　１）０５〜１゜０ｍｍ、間隔０．０５〜
１．Ｏｍｍの均一な凸部を形成させたり、同様な高さの
螺旋状の凹部を形成させるのも有効である。

濾材の多孔質管状体を多重管となるように設置したり、
多孔質管状体の内外に粒状の構造物を充填することも濾
過効率を高めるうえで好ましい。

又以上に述べてきたこれらの管状体を複数本並列に束ね
て、より大量処理の可能な装置を設定することもできる
。

以下に本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、
実施例は本発明を限定するものではない。

［実施例］ 第２図は円管状の多孔質体を用い、その内側に懸濁液を
流す濾過分離装置の実施例を示したしので、多孔質管１
１の両端に固定パツキン１２をはめ、両端にネジを切っ
た内管１３を止めネジ１４にて固定パツキン１２の外側
より止めて多孔管１１内に保持し、流路１５を形成した
ものを外筒１６にセットしたものである。濾過原液であ
る懸濁’＜’＆　１７は、入すロポ−１・１８より導入
され、止めネジ１４に設けられたスリット部１９より多
孔質管１１内部に入り流路１５を平行に流れて反対側よ
り流出する。流路１５を流れている間に濾過か行われ、
多孔質管１１の外側に生じた濾液は濾液出口２０より流
出する。流路１５の厚みは内管１３の外径を変えること
により容易に変更することができる。

第３図は同様に円管状の多孔質体を用い、外側に懸濁液
を流す装置の実施例を示したものである。

多孔質管２１の両端に固定パツキン２２をセラＩ・し、
スペーサー２３を介して止めネジ２４で外筒管２５にセ
ットする。この外筒管２５と円管２１の間隙が流路とな
る。外筒管２５にはこの管の接線方向に入りロボート２
６と出口ポー１へ２７か設置され、懸濁液は２６より円
管２１に討して接線方向に導入され、流路２８を円管表
面に添って螺旋状に流れながら移動し出口ボート２７よ
り流出する。この間懸濁液の一部が円管を通って濾過さ
れ、清澄化した濾液が濾液ボート２９より得られる。

次に本発明の効果を確認するため行った実験例を示す。

実験例　１ 平均孔径０．５μｍ、内径１５ｍ＋ｎ　、外径１９ｍｍ
で長さ２５０ｍｍのセラミック製多孔質田管の内側に、
外径１３ｍｍの円筒を設置して第１図に示した構造の濾
過分離装置を（ヤ製した。この濾過装置を用いて第４図
の様な実験回路を組み、循還実験を行った。試験懸濁液
は、懸濁液貯留槽３１よ））循環ポンプ３２によりデス
１−濾過装置３３に導入され、ここ通過して再び３１に
返還される。濾過装置の入り口、出口及び濾液側にはそ
れぞれ圧力計３５が設置され、調節バルブ３６及び濾液
ポンプ３４をコントロールすることによって、濾過条件
を設定する。懸濁液貯留槽３１内の懸濁液は、磁気攪拌
器３７によって攪拌を行った。得られな濾液は再び３１
に返還されるが、切り替えバルブ３８を切り替えること
によって、濾液採取口３つより計量器４０に採取され、
各時間毎の濾過量が計測される。懸濁液として、グルコ
ース２０ｇｒ、ペプトン２０ｇ「、酵母エキス１０ｇｒ
を水１リットルに溶かした培地に酒精酵母を培養したも
のを用いた。濾ｊυ条件は、循環流量３００ｍ１．隔膜
圧子０　、３　Ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ２とした。尚、菌体
重量は５％（湿重量）となるように調整した。同様に多
孔質円管内に円筒を入れないものを組み立て比較例とし
た。

実験例　２ 平均孔径０．１μｍ、内径２０ｍｍ　、外径２３ｍｍ、
長さ　１５０ｍｍ　　のセラミック製多孔質円管を濾材
として用い、内径２４ｍｍの外筒に第２図のごとく設置
した濾過装置を作製した。実験例１と同様な回路及び懸
濁液を用い、循環流量８０ｍ１／ｍｉｎ　、隔膜圧子　
０，０４にｇ　／　ｃ　ｍ”　　として実験を行った。

比較例として、同様な管の片端を密閉し、もう片端に濾
液流出口を形成したものを作製し、直接懸濁液貯留槽に
設置して濾過を行った。尚この比較例では一定圧で連続
して濾過をする方法と、約１０分毎に１分間逆方向に圧
力をかけて逆洗浄を行う操作を繰り返した場合の二種類
の方法を用いた。

実験結果 第５図に実験例１の結果を示す。実施例に於いては、濾
過実験開始後２０時間後でも濾過流量に変化がなく、安
定して濾過が行われているが、比較例ではしだいに濾過
量が減少し、濾過面の目づまりが生じていることが予想
される。

実験例２に於いてはこの差は特に顕著で、第６図に示し
たように、実施例では濾過開始後５日後でも初期流量の
７５％、約３ｍｌ／ｍｉｎを維持していたが、連続濾過
を行った比較例では急速につまりが生じて濾液がほとん
ど得られなくなった。逆洗浄を行った場合も２日目には
初期流量の半分以下となった。

又図には示さなかったが、実験例１に於いて実験後濾過
装置を分解し、多孔質管を１２００℃の電気炉で処理再
生した後同様な実験を１０回繰り返したか、初期濾過量
に変［ヒは見られなかった。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明による濾過分離装置は以下に
示した利点を有している。

（Ｄ　多孔質管状体の濾過表面からの流路厚を規制する
ので濾過の効率か改善され、目づまりが生じすらく、懸
濁液の精密濾過を長時間行うことができる。

（■　濾過装置の構成部分の分解、組み立てが容易てあ
り、流路を懸濁液の性状に応じて適切に設定できる。

■　濾過装置の構成部分の分解、組み立てが容易である
ので、目づまりか生じた濾材を薬品、熱といった各種の
処理を行うことによって再生することができる。

■　濾過される原液の条件に応じて各種の素材の多孔質
管状体を用いることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ及びｂは本発明の基本概念を示したもので、第
２図、第３図は実施例の部分断面図である。第４図は実
験回路を、第５図、第６図はその結果を示したものであ
る。 Ｉ・・・多孔質管状体　　　２・・・柱状体３・・・懸
濁液　　　　　　４・・・濾液５・・・濃縮液　　　　
　　６・・・筒状体１１・・・多孔質管　　　　　１２
・・・固定パツキン１３・・・内管　　　　　　　１４
・・・止めネジ１５・・・流路　　　　　　　１６・・
・外筒１７・・・懸濁液　　　　　　１８・・・入すロ
ボーｌ〜１９・・・スリブＩ・部　　　　２０・・・瀘
液出口２１・・・多孔質管　　　　　２２・・・固定パ
ツキン２３・・・スペーサー　　　　２４・・・止めネ
ジ２５・・・外筒管　　　　　　２６・・・入りロボー
ト２７・・・出口ボート　　　　２８・・・流路２９・
・・濾液ポート

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔質管状体と、その内側あるいは外側に該管状
   体との間に流体が移動することが可能な間隙を形成する
   構造体より成り、該間隙を流路として流体を該管状体に
   対して実質的に平行に流し、少なくともその一部を多孔
   質管状体を通過させて濾過分離を行なうことを特徴とす
   る濾過分離装置。
2. （２）該間隙の厚さが０．１ｍｍ〜１０ｍｍである特許
   請求の範囲第１項記載の濾過分離装置。
3. （３）構造体が、多孔質管状体の内側あるいは外側に間
   隙をおいて平行に設置された柱状体もしくは筒状体であ
   る特許請求の範囲第１項及び第２項記載の濾過分離装置
   。
4. （４）多孔質管状体とその内側あるいは外側に、間隙を
   おいて平行に設置された柱状体あるいは筒状体が、各々
   容易に交換、組み立てを行うことができ、該間隙の厚さ
   が可変である事を特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第３項記載の濾過分離装置。
5. （５）柱状体あるいは筒状体の表面に凹凸が形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４
   項記載の濾過分離装置。
6. （６）多孔質管状体の表面に凹凸が形成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項記載の
   濾過分離装置。
7. （７）多孔質管状体の平均孔径が０．０１〜１０μｍで
   ある特許請求の範囲第１項ないし第６項記載の濾過分離
   装置。
8. （８）多孔質管状体が無機質材料からなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第７項記載の濾過分離
   装置。