JP2008518748A - 浸漬クロスフロー濾過 - Google Patents

Abstract

複数の透過性中空膜（６）がその中に装着されているタイプの膜濾過モジュール（５）であって、使用時には、懸濁固体を含む懸濁液に浸漬された透過性中空膜（６）の壁の両面間に差圧を掛け、膜壁を介して濾過を生じさせ持続させるために前記懸濁液は透過性中空膜（６）の片方の面に接し、懸濁液の一部は膜壁を貫通して浄化液または透過液として排出され、固体の少なくとも一部は透過性中空膜（６）上または中に保持され、あるいは懸濁液内に懸濁固体として保持され、モジュール（５）が、膜モジュール（５）に流し込まれた流体の少なくとも一部を実質的に保持するために膜モジュール（５）を少なくとも部分的に囲繞する流体保持手段（１３）を備える、膜濾過モジュール（５）。

Description

本発明は、膜濾過システムに関し、より詳細には、浸漬膜濾過システムおよびその作動に関する。

空気洗浄を伴う浸漬膜濾過プロセスは１９８０年代に出現した。加圧に替わる吸引または静水頭による濾過駆動力によって、膜モジュールを収容する圧力容器の必要性が無くなり、その結果、膜濾過システムの設備投資が著しく節約された。しかし、膜を洗浄するのに必要なガス／空気の消費量が、そのような濾過プロセスで使用される操業エネルギーの主要部分を占めることになり、その結果操業コストが予想以上に高くなった。したがって、そのようなシステムが導入されて以来、ガス／空気消費量を低減させるために多大な努力が払われてきた。

この目的を果たすために追求されてきた２つの主要な方向がある。すなわち、
ａ）汚染率の低減および透過性の向上による膜特性の改良、および
ｂ）濾過／洗浄プロセスの改良である。

ある種の膜の洗浄効果に影響する２つの大きな因子がある。透過領域がより小さくなるようにモジュールを再構成することによって、空気をより効率的に使用することができることが分かってきた。それにより、より効率的に膜が洗い流せるように、空気の総量を集中させることができる。高集積度モジュールを使用することによっても、膜面積当たりの空気消費量を節約できる。連続的な噴射の代わりに、空気で間欠的に膜を洗い流すのも、空気消費量を節約する別の方式である。

別の公知の方法は、膜をガスと液体の混合物で洗い流すことである。この方法は、膜が、高濃度の懸濁固体を含む混合液を濾過し、混合液の再循環が、脱窒を達成するために必要とされる膜バイオリアクタにおいて特に重要である。この方法では、空気で膜を洗い流し、膜表面付近での固体濃度分極を最低限に抑え、混合液の脱水を防止するために、そのような混合液の再循環流を利用する。膜モジュールの設計では、２相混合物の膜束中への一様な分布を達成することを目指す。公知のモジュール中の膜は、通常、拘束されずに供給流に曝されているか、穴の開いたケージの中に拘束されているかのいずれかである。したがって、モジュールに沿って流体が移動する間、ある程度のエネルギーの損失が依然として残る。

膜プロセス発展の初期段階では、膜表面を横切る高速の供給流をポンプ給送することによって剪断力を発生させるクロスフロー濾過が通常使用されていた。膜を効果的に浄化するための高い剪断力を発生させるために、より多くのエネルギーが必要なので、クロスフロー濾過プロセスの用途は、今では主として管状膜濾過分野に限られている。
米国特許第５，７８３，０８３号明細書 米国特許第６，５２４，４８１号明細書

本発明の目的は、先行技術の欠点の少なくとも１つを克服または改良し、あるいは有効な代替技術を提供することである。

第１の態様によれば、本発明は、複数の透過性中空膜がその中に装着されているタイプの膜濾過モジュールであって、使用時には、懸濁固体を含む懸濁液に浸漬された透過性中空膜の壁の両面間に差圧を掛け、膜壁を介して濾過を生じさせ持続させるために懸濁液は透過性中空膜の片方の面に接し、懸濁液の一部は膜壁を貫通して浄化液または透過液として排出され、固体の少なくとも一部は透過性中空膜上または中に保持され、あるいは懸濁液内に懸濁固体として保持され、モジュールが、膜モジュールに流し込まれた流体の少なくとも一部を実質的に保持するために膜モジュールを少なくとも部分的に囲繞する流体保持手段を備える、膜濾過モジュールを提供する。

第２の態様によれば、本発明は、膜モジュール中に装着された複数の透過性中空膜を用いて懸濁液から固体を濾過する方法であって、
前記懸濁液が透過性中空膜の片方の表面に沿うように、前記懸濁液を含む流体を前記膜モジュールに流し込む段階と、
透過性中空膜の壁を介して濾過を生じさせ持続させるために、懸濁固体を含む懸濁液に浸漬された透過性中空膜の壁の両面間に差圧を掛ける段階であって、懸濁液の一部は膜壁を貫通して浄化液または透過液として排出され、固体の少なくとも一部は透過性中空膜上または中に保持され、あるいは懸濁液内に懸濁固体として保持される段階と、
流体保持手段で膜モジュールを少なくとも部分的に囲繞することによって、膜モジュールに流し込まれた流体の少なくとも一部を実質的に保持する段階と
を含む方法を提供する。

好ましくは、一形態では、流体保持手段は、膜モジュールの周囲を実質的に囲繞するスリーブを備える。好ましくは、スリーブは液体不透過性であり、より好ましくは稠密質である。好ましくは、スリーブは、モジュールの全長に沿って延在する箱状の構造である。用語「箱状」は、膜モジュールの形状に適する所望のいかなる断面形状をも含むことを理解されたい。好ましくは、スリーブには、片方の端部に、流体がそこを通って流れることができる開口が設けられている。好ましくは、別の形態では、流体保持手段が、モジュールの両側に配置された少なくとも１対の対向する壁を備える。好ましくは、モジュールが５０％を超えて流体保持手段に囲繞され、より好ましくは、７０％以上が囲繞されている。

好ましくは、流体は、少なくとも幾分かの懸濁液を含む。懸濁液は、直接給送による、またはガス浮揚効果を介することを含む様々な方式でモジュールに送り込むことができる。好ましくは、流体は、ガスおよび／またはガス／液体混合物も含む。

好ましくは、モジュールが、懸濁液が入っている液槽に浸漬され、透過液は、膜内腔に真空圧または静水頭を掛けることにより収集される。好ましくは、モジュール内の膜が、上側ヘッダと下側ヘッダとの間に延在し、懸濁液およびガスが、モジュールの下側ヘッダの下または下側ヘッダの近傍に導入される。好ましくは、流体は、下側ヘッダの開口を通してモジュールに流し込まれる。２相流体は、次いでモジュールの全長に沿って流れてクロスフロー効果を生み出す。液体またはガスのいずれか、あるいはその両方を、連続的または間欠的にモジュールに注入することができる。

本発明の好ましい実施形態を、単なる例として、添付図面を参照して以下に説明する。

図１ａ〜図１ｃは、異なる３つのモジュール構成の作動状態を示す。各構成の膜モジュール５は、上側ヘッダ７と下側ヘッダ８との間に延在する複数の中空繊維膜６を有する。上側ヘッダ７中の繊維６は、透過液収集チャンバ９に開口している。下側ヘッダ８は、ガスおよび／または液体を膜モジュール中に供給する複数の通気開口１０を有する。開放型混合チャンバ１１が、下側ヘッダ８の下方に設けられており、通常、下向きに延在するスカート１２によって形成されている。また、閉鎖型混合チャンバを使用することもできる。

図１ａは、本発明の好ましい一実施形態の構成である。通常は空気であるガスおよび液体供給流が、その周囲を囲繞する稠密な筐体またはスリーブ１３内にある膜モジュール５に注入される。液体供給流は、ガスの浮揚力を介してモジュール５に導入することもできる。次いで、ガス／液体混合物は、クロスフロー作用を生じながらモジュール５に沿って上方に流れる。気泡および濃縮された供給流は、モジュール５の上側ヘッダ７位置で筐体１３の上部の開口１４を通って放出される。

ガスおよび供給液体は、下側ヘッダ８の下の開放型チャンバ１１内で混合し、次いでモジュール５中に供給することができる。あるいは、直接的な接続（図示せず）を介して、２相流体を下側ヘッダ８に直接注入することもできる。ガスまたは液体のいずれか、あるいはその両方を、連続的または間欠的に供給することができる。

図１ｂは、モジュール５が穴開きスクリーン１５を有する公知のモジュール構成を示す。ガスと供給液体の混合物がモジュール５中に注入されるが、気泡は部分的にモジュール５の各部から漏れ出し得、また供給液体もバルク供給液体の拡散を介して漏れ出し得る。したがって、そのような構成ではクロスフロー効果が減殺される。

モジュール５にスクリーンを使用しない場合、膜繊維６は、図１ｃに示されるように、より大きな領域を動き得る。ガスおよび／または液体供給流がモジュール５中に注入されたとき、膜洗浄は、米国特許第５，７８３，０８３号明細書に記載されているように、ガスが遥動可能な繊維を洗い流すことによって達成される。膜表面近傍の液体は、バルク相が移入することによって蘇生される。ガスおよび液体は、モジュール領域から自由に抜け出すことができ、したがって、クロスフロー効果は殆どない。

米国特許第６，５２４，４８１号明細書は、膜を洗い流すのに２相混合物を採用する利点を開示している。筐体を使用して流れの散逸を制限すると、ガスおよび液体のエネルギーがより効率的に利用できる。

この構想が、長方形および正方形のモジュールなど、他の形状のモジュールにも容易に適用できることが理解されよう。筐体は、円筒形、正方形、長方形、楕円形を含めて、モジュールに適した所望のいかなる断面形状でもよい。

図２ａは、筐体１３を有する長方形モジュール５を示す。モジュール５の下側ヘッダ８に供給液体およびガスが注入されると、モジュールに沿ってクロスフローが生成される。

図２ｂに示す実施形態は、僅かに大きい筐体１３を有し、流体は、上側ヘッダ７と筐体１３との間の間隙１６から抜け出すことができる。

図２ｃに示す実施形態は、部分的に囲繞された膜モジュール５を有し、筐体１３の上側および下側に空隙１７および１８がある。

図２ｄは、別の実施形態であり、モジュール５は下側ヘッダ８の１つだけ有し、上端では繊維６は自由端になっている。この実施形態では、繊維６はその自由端で封止されており、濾過液は下側ヘッダから抜き取られる。

個々の各モジュール５に筐体１３を用いる代わりに、ある変更形態では、図３に示すように、一連のモジュールに対して筐体を１つだけ使用するようになっている。

クロスフロー効果をもたらすためにモジュールを完全に囲繞する必要はなく、モジュールまたは一連のモジュールの両側に置かれた対向する１対の壁を使用してモジュール内にガスおよび液体の流れを保持することができる。壁は、任意選択的にモジュール全体またはその一部を覆うことができる。壁は、曲線または弓形の形状を含めて、モジュールの形状に適した所望の形状にすることができる。

上記の例では、ガスおよび濃縮供給流は、１つまたは複数のモジュールの上側ヘッダ７近傍の筐体１３の開口１４を通して放出され、また、図４に示すように、サブモジュール内またはモジュール間に生成された間隙１９を通して放出することもできる。

図５は、図４に示したモジュール筐体の別の配列を示す。高濃度の懸濁固体供給流への適用では、モジュール内での固体の堆積を最小限に抑えるために、膜繊維の厚さを減らすことが望ましい。図５に示す一方法では、繊維膜束と同様にモジュール５の全長に沿って延在する膜繊維マット２０を使用している。洗流し効果を向上させるために、マットまたはマット群間にセパレータ２１を設けて、繊維マット２０の表面に沿う空気の上方への流れをさらに囲い込み、方向付けることができる。

上記の説明では、ガスおよび供給流は下側ヘッダ８の下から注入される。別法として、ガスおよび供給流は、下側ヘッダの側面から筐体１３の中へ注入することもできる。

（実施例）
２、２００繊維を含む標準的浸漬膜濾過モジュールで、バイオリアクタから混合液を濾過する試験が行われた。筐体なしでは、流束３０Ｌ／ｍ^２／ｈｒで安定した濾過性能を達成するには、３ｍ^３／ｈｒの空気流量が必要であった。筐体を使用すると、同じ結果を達成するのに必要な空気が、２ｍ^３／ｈｒに減少し、３３％の空気が節約された。

本発明によって提供される濾過プロセスは、ガスによる洗流しが、浸漬クロスフロー濾過システムにおいて、より少ないエネルギーでより効率的な洗浄を行う点で、従来のクロスフロー濾過プロセスとは異なる。使用される筐体は、低コストのものであり、殆ど耐圧性を必要としない。

したがって、ここに記述された浸漬クロスフロー濾過システムは、浸漬システムの低資本コストをクロスフロープロセスの有効性と組み合わせるものである。

本発明の概念を、垂直な構成の中空繊維膜モジュールに関する実施形態および実施例で説明してきたが、本発明が、水平または垂直以外の方向を有する平板膜および毛細管膜にも適用可能であることが理解されよう。

ここに記述された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の別の実施形態および事例が可能であることが理解されるであろう。

本発明の実施形態による膜モジュール構成の概略側面断面図である。 スクリーンを有する公知の膜モジュール構成の概略側面断面図である。 繊維膜周りに拘束体を有さない公知の膜モジュール構成の概略側面断面図である。 本発明の別の実施形態による膜モジュール構成の概略斜視図である。 本発明の別の実施形態による膜モジュール構成の概略斜視図である。 本発明の別の実施形態による膜モジュール構成の概略斜視図である。 本発明の別の実施形態による膜モジュール構成の概略斜視図である。 本発明の別の実施形態による膜モジュール構成の概略斜視図である。 本発明の別の実施形態による膜モジュール構成の概略斜視図である。 本発明の別の実施形態による膜モジュール構成の概略斜視図である。

符号の説明

５ 膜モジュール
６ 中空繊維膜
７ 上側ヘッダ
８ 下側ヘッダ
９ 透過液収集チャンバ
１０ 通気開口
１１ 開放型混合チャンバ
１２ スカート
１３ 筐体またはスリーブ
１４ 開口
１５ 穴開きスクリーン
１６ 間隙
１７ 空隙
１８ 空隙
１９ 間隙
２０ 膜繊維マット
２１ セパレータ

Claims (34)

1. 複数の透過性中空膜がその中に装着されているタイプの膜濾過モジュールであって、
   使用時には、懸濁固体を含む懸濁液に浸漬された前記透過性中空膜の壁の両面間に差圧を掛け、
   該膜壁を介して濾過を生じさせ持続させるために前記懸濁液は前記透過性中空膜の片方の面に接し、
   該懸濁液の一部は前記膜壁を貫通して浄化液または透過液として排出され、
   固体の少なくとも一部は前記透過性中空膜上または中に保持され、あるいは前記懸濁液内に懸濁固体として保持され、
   前記モジュールが、該膜モジュールに流し込まれた流体の少なくとも一部を実質的に保持するために該膜モジュールを少なくとも部分的に囲繞する流体保持手段を備えることを特徴とする膜濾過モジュール。
2. 前記流体保持手段が、前記膜モジュールの周囲を実質的に囲繞するスリーブを備えることを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
3. 前記スリーブが液体不透過性であることを特徴とする、請求項２に記載の膜濾過モジュール。
4. 前記スリーブが前記モジュールの全長に沿って延在する箱状の構造であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の膜濾過モジュール。
5. 前記スリーブには、片方の端部に、流体がそこを通って流れることができる開口が設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の膜濾過モジュール。
6. 前記流体保持手段が、前記モジュールの両側に配置された少なくとも１対の対向する壁を備えることを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
7. 前記モジュールが５０％を超えて前記流体保持手段に囲繞されていることを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
8. 前記モジュールが７０％を超えて前記流体保持手段に囲繞されていることを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
9. 前記流体が少なくとも幾分かの懸濁液を含むことを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
10. 前記流体が、ガスおよび／またはガス／液体混合物を含むことを特徴とする、請求項９に記載の膜濾過モジュール。
11. 前記モジュールが、前記懸濁液が入っている液槽に浸漬され、前記透過液は、前記膜壁の透過液側に真空圧または静水頭を掛けることにより収集されることを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
12. 前記モジュール内の前記膜が、少なくとも下側ヘッダから上方へ延在し、前記懸濁液およびガスが、前記モジュールの前記下側ヘッダの下または前記下側ヘッダの近傍に導入されることを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
13. 前記流体が、前記下側ヘッダの開口を通って前記モジュールに流し込まれることを特徴とする、請求項１２に記載の膜濾過モジュール。
14. 前記流体が前記モジュールの全長に沿って流れてクロスフロー効果を生じることを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
15. 前記流体が、前記モジュールに連続的に送り込まれる液体またはガスのいずれか、またはその両方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
16. 前記流体が、前記モジュールに間欠的に送り込まれる液体またはガスのいずれか、またはその両方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の膜濾過モジュール。
17. 前記流体保持手段が、前記膜モジュールの１つまたは複数のグループを少なくとも部分的に囲繞することを特徴とする、請求項１に記載の複数の膜モジュールを備える膜濾過システム。
18. 膜モジュール中に装着された複数の透過性中空膜を用いて懸濁液から固体を濾過する方法であって、
    前記懸濁液が前記透過性中空膜の片方の表面に沿うように、該懸濁液を含む流体を前記膜モジュールに流し込む段階と、
    前記透過性中空膜の壁を介して濾過を生じさせ持続させるために、懸濁固体を含む前記懸濁液に浸漬された該透過性中空膜の壁の両面間に差圧を掛ける段階であって、前記懸濁液の一部は該膜壁を貫通して浄化液または透過液として排出され、固体の少なくとも一部は前記透過性中空膜上または中に保持され、あるいは前記懸濁液内に懸濁固体として保持される段階と、
    流体保持手段で前記膜モジュールを少なくとも部分的に囲繞することによって、該膜モジュールに流し込まれた流体の少なくとも一部を実質的に保持する段階と、を含むことを特徴とする懸濁液から固体を濾過する方法。
19. 前記流体保持手段が、前記膜モジュールの周囲を実質的に囲繞するスリーブを備えることを特徴とする、請求項１８に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
20. 前記スリーブが液体不透過性であることを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
21. 前記スリーブが稠密質であることを特徴とする、請求項２０に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
22. 前記スリーブが前記モジュールの全長に沿って延在する箱状の構造であることを特徴とする、請求項１９または請求項２０に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
23. 前記スリーブには、片方の端部に、流体がそこを通って流れることができる開口が設けられていることを特徴とする、請求項２２に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
24. 前記流体保持手段が、前記モジュールの両側に配置された少なくとも１対の対向する壁を備えることを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
25. 前記モジュールが５０％を超えて前記流体保持手段に囲繞されていることを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
26. 前記モジュールが７０％を超えて前記流体保持手段に囲繞されていることを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
27. 前記流体が、ガスおよび／またはガス／液体混合物を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
28. 前記モジュールが、前記懸濁液が入っている液槽に浸漬され、前記透過液は、前記膜壁の透過液側に真空圧または静水頭を掛けることにより収集されることを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
29. 前記モジュール内の前記膜が、少なくとも下側ヘッダから上方へ延在し、前記流体が、前記モジュールの前記下側ヘッダの下または前記下側ヘッダの近傍で該モジュールに流し込まれる前記懸濁液およびガスを含むことを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
30. 前記流体が、前記下側ヘッダの開口を通って前記モジュールに流し込まれることを特徴とする、請求項２９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
31. 前記流体を前記モジュールの全長に沿って流してクロスフロー効果を生み出すことを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
32. 前記流体が連続的に前記モジュールに流し込まれることを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
33. 前記流体が間欠的に前記モジュールに流し込まれることを特徴とする、請求項１９に記載の懸濁液から固体を濾過する方法。
34. 前記スリーブが稠密質であることを特徴とする、請求項３に記載の膜濾過モジュール。

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