(57)【要約】エアリフトメンブレン装置群（２５）であって、各群は、隔離リング（１４）および支持リング（１５）を有するハウジング（１０）に収容用化合物（１３）を用いて収容された個々のフィルタエレメント（１２）を有する、エアリフトメンブレン装置群（２５）が、バイオリアクタを用いたバイオ反応プロセスを実行するために開示されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアリフトメンブレン装置において、
多孔質材料から成る１以上のモノリスセグメントの構造であって、各モノリスセグメントは、下部供給端面から上部滞留物端面まで長手方向に延びている複数の通路を規定し、モノリスセグメントにおける通路の表面積は、モノリスセグメント容積の１立方メートルあたり、少なくとも１５０平方メートルであり、前記多孔質材料は少なくとも３０％の空隙率および少なくとも３ミクロンの平均気孔寸法を有する構造と、
分離障壁を与えるためにモノリスセグメント通路の壁に施される１ミクロン未満の平均気孔寸法を有する多孔質メンブレンと、
ガススパージャであって、下部端面でガス噴射された液体供給原料を与えるために装置の下方に配置され、装置を通じて供給原料のエアリフト循環を与え、それによって、供給原料を濾過液と装置の上部端面から出て行く残留ガス含有滞留物に分離する、ガススパージャと、
濾過液を装置の内部から装置の濾過液回収域に向かって運ぶための、装置内の少なくとも１つの濾過液導管であって、多孔質材料による代替の流路の流れ抵抗よりも低い流れ抵抗の経路を与える、濾過液導管と、
濾過液回収域から供給原料と滞留物を分離するための少なくとも１つのシールとを含むことを特徴とするエアリフトメンブレン装置。
【請求項２】
多孔質材料がセラミックであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
構造が単一のモノリスからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
構造がモノリスセグメントの組立体からなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
構造が、濾過液回収のためのハウジング中に収容され、濾過液回収域は、装置とハウジングとの間の環状空間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
構造が、外表面に沿ってシールされており、濾過液は端面から回収されることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項７】
メンブレンが、約０．１〜約１ミクロンの気孔寸法を有する精密濾過膜であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
メンブレンが、約５ｎｍ〜約０．１ミクロンの気孔寸法を有する限外濾過膜であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
メンブレンがセラミックメンブレンであることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１０】
メンブレンがセラミックメンブレンであることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記装置は、下部端面を有しており、前記下部端面の下方に延びており、前記下部端面で空洞を規定するシュラウドをさらに含み、前記ガススパージャからのガスが前記空洞に噴射されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記通路の水力直径が、約４〜約１５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１３】
前記モノリスセグメントの水力直径が約５０ｍｍよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１４】
エアリフトメンブレン・バイオリアクタにおいて、
請求項１記載のメンブレン装置と、
液体供給原料を導入する手段を備えたメンブレンバイオリアクタ供給タンクと、
濾過液を、装置の濾過液回収域からバイオリアクタの濾過液放出箇所へ運ぶための手段とを含むことを特徴とするエアリフトメンブレン・バイオリアクタ。
【請求項１５】
メンブレン装置が、内部エアリフト循環ループで、バイオリアクタ供給タンク内部に設置されることを特徴とする請求項１４記載のバイオリアクタ。
【請求項１６】
メンブレン装置が、外部エアリフト循環ループで、供給タンクの外側に設置されることを特徴とする請求項１４記載のバイオリアクタ。
【請求項１７】
噴射ガスが、空気または酸素であり、バイオリアクタは好気性状態下で作動することを特徴とする請求項１４記載のバイオリアクタ。
【請求項１８】
噴射ガスが、低いまたは無視できるほどの酸素含量を有し、バイオリアクタは嫌気性状態下で作動することを特徴とする請求項１４記載のバイオリアクタ。
【請求項１９】
メンブレンバイオリアクタ・プロセスにおいて、
液体バイオマス供給原料を収容するバイオリアクタ供給タンクを準備し、
供給原料から実質的にバイオマスを含まない濾過液を抽出するためにエアリフトメンブレン装置をさらに準備し、該装置は下部端面および上部端面を有し、
バイオリアクタタンク供給原料を前記エアリフトメンブレン装置の下部端面に導入し、
前記下部端面で、ガスを噴射して、装置を通って供給原料のエアリフト循環を与え、供給原料を実質的にバイオマスを含まない濾過液と、装置の上部端面から出て行くバイオマスおよびガス含有滞留物とに分離し、
前記装置は、多孔質材料から成る１以上のモノリスセグメントの構造であって、各モノリスセグメントは、前記下部端面から前記上部端面まで長手方向に延びる複数の通路を規定し、モノリスセグメントにおける通路の壁の表面積は、モノリスセグメント容積の１立方メートルあたり少なくとも１５０平方メートルであり、多孔質材料は、少なくとも３０％の空隙率および少なくとも３ミクロンの平均気孔寸法を有し、１ミクロン未満の平均気孔寸法を有する多孔質メンブレンがモノリスセグメント通路の壁に施され分離障壁を与える、構造と、濾過液を装置内部から装置の濾過液回収域に向かって運ぶための少なくとも１つの濾過液導管であって、多孔質材料による代替の流路の流れ抵抗よりも低い流れ抵抗の経路を与える濾過液導管とを含み、該装置は濾過液回収域から供給原料と滞留物とを分離するための手段を有し、
濾過液を濾過液回収域から濾過液放出箇所まで運ぶことを特徴とするメンブレンバイオリアクタ・プロセス。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、２００２年８月２１日に出願された仮特許出願公開第６０／４０４９４４号明細書および２００２年９月３０日に出願された米国特許出願公開第１０／２６１１０７号明細書の優先権を主張し、該出願の開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
発明の分野
本発明は、エアリフトメンブレン装置、それを収容するエアリフトメンブレン・バイオリアクタおよびエアリフトバイオリアクタ・プロセスに関する。このメンブレン装置は、精密濾過膜または限外濾過膜の支持体として、１以上の多重通路多孔性モノリスを利用している。このモノリスに基づくメンブレン装置は、メンブレン束のメンテナンスに対して適切に制御されかつ効率的なエアリフトを有する小型で低コストの装置を提供する。セラミックメンブレンの使用は、バイオリアクタのバイオマス供給原料による汚れに耐性のある親水性のメンブレンを提供する。
【０００３】
背景ならびに先行および関連技術
メンブレンバイオリアクタ（ＭＢＲ）の急速な出現は、このようなＭＢＲに、いくつかの種類のメンブレン装置を「浸漬式メンブレン」およびポンプ式「外部ループ」メンブレンモジュール構成の両方で、開発することに繋がった。浸漬式メンブレン構成については、これは、より低コストのために恵まれているが、主として２つのメンブレンの種類が使用されている。すなわち、高分子中空糸装置および高分子プレート装置である。浸漬式および外部ループ技術の両方についての最先端技術の説明を以下において見出される。
【０００４】
１.論文、「濾過および分離」(Filtration +Separation)、２００２年６月発行、３９巻、５号、ｐ.２６-３５
【０００５】
２．２００２年５月５〜７日、カリフォルニア州、コスタ  メサ、精密濾過ＩＩＩ会議の議事録 (Proceedings of the Microfiltration III Conference, Costa Mesa, CA)。
【０００６】
３．スチーブンティルおよびヘンリーマリア、「メンブレン  バイオリアクタ：高放流水質を達成するための排水処理用途」、第６４回水産業技術者および作業者会の年次会議発表、２００１年９月５〜６日、オーストラリア、ベンディゴ（“Membrane
Bioreactors: Wastewater Treatment Applications to Achieve High Quality
Effluent”, by Steven Till and Henry Mallia, presented at the 64th Annual Water Industry Engineers and Operator's Conference）
【０００７】
最後の論文は、２つの主要な浸漬式システムすなわち、ゼノン（Zenon）（カナダ）が販売する中空糸およびクボタ（日本）が販売するプレート装置を記載している。本願の主題であり、浸漬式ＭＢＲにおいて用いられる本発明は、実質的に異なるメンブレン構成、すなわち、多重通路のモノリスメンブレン装置である。本発明によって対象とされる構造は、本質的に、低コストで、装置の単位容積あたり非常に大きなメンブレン表面積の特徴を有する。
【０００８】
外部ループＭＢＲで用いられるように、交差流メンブレンモジュールとして用いられる場合の各種構造の類似の装置が、下記の特許において開示されており、特に、参照によって本明細書に組み込まれている。
【０００９】
１．米国特許第４７８１８３１号明細書（ゴールドスミス）(Goldsmith)。これは、その明細書の図５およびその特許明細書の記載において、一群の個々の多重通路のモノリスがモノリス構成エレメント間の空間によって形成された「濾過液流導管」を有するように配置されていることを開示している。
【００１０】
２．米国特許第５００９７８１号明細書および米国特許第５１０８６０１号明細書（ゴールドスミス）(Goldsmith)。これは、その明細書の図および明細書において、モノリス内に濾過液導管を形成した単一のモノリス構造を開示している。
【００１１】
３．米国特許第６１２６８３３号明細書（シュトッベら）(Stobbe, et al.)。これは、モノリスセグメントの回収体で、セグメントの内部濾過液導管およびモノリスセグメント間の間隙によって形成された濾過液導管の配置の両者を包含する回収体からなる構造を開示している。
【００１２】
このモノリスに基づくメンブレン装置の好適な実施形態は、多孔質のセラミックモノリス支持体と、そのモノリス支持体の通路壁表面に施したより細孔のセラミックまたは高分子のメンブレン被覆とからなるであろう。
【００１３】
セラミックメンブレン精密濾過（ＭＦ）および限外濾過（ＵＦ）装置が、外部ＭＢＲシステムで用いられている。実施例は、Wen, XingおよびQianによる論文（「生活排水処理のためのセラミック限外濾過膜バイオリアクタ」、Tsinghau Science and Technology, ISSN 1007-0214, 08/17,５巻、３号、ｐ.２８３-２８７（２０００年９月））およびFan, Urbain, QianおよびManemによる論文（「交差流メンブレン・バイオリアクタ・プロセスにおけるセラミックメンブレンによる活性汚泥の限外濾過」、Water Science &
technology, ４１巻、１０〜１１号、ｐ.２４３-２５０（２０００年））で見出される。
【００１４】
浸漬式ＭＢＲ構成においてセラミックメンブレンを用いた研究は殆どない。Xu, XingおよびXuによる、「都市排水再利用のためのエアリフトメンブレン・バイオリアクタの設計および適用」と題する、最近の発表は、単一の管状セラミックＵＦメンブレンエレメントおよび５チャンネルの多チャンネルのＵＦメンブレンエレメントを用いたエアリフトＭＢＲの使用について記載している。（北米メンブレン協会会議(North American Membrane
Society Meeting)、カリフォルニア州、ロングビーチ、２０００年５月１１〜１５日発表。）
【００１５】
発明の要約
本装置は、浸漬式縦型搭載エアリフトメンブレン装置を特徴とする。装置は、多孔質材料から成る１以上のモノリスセグメントの構造を含み、各モノリスセグメントは、下部供給端面から上部滞留物端面まで長手方向に延びている複数の通路を規定している。モノリスセグメントにおけるこの通路の表面積は、モノリスセグメント容積の１立法メートルあたり少なくとも１５０平方メートルであり、多孔質材料は、少なくとも３０％の空隙率および少なくとも３μｍの平均気孔寸法を有し、平均気孔寸法が１μｍ未満の多孔質メンブレンは、モノリスセグメント通路の壁に施され分離障壁を与える。ガススパージャが下部端面でガスを噴射した液体供給原料を与えるために装置の下方に配置され、装置を通して供給原料のエアリフト循環を与え、それによって、供給原料を濾過液と、装置の上部端面を通過する残留ガス含有滞留物とに分離する。少なくとも１つの濾過液導管が、濾過液を装置内から装置の濾過液回収域に向かって運ぶための装置内に形成され、この濾過液導管は、多孔質材料を通した代替の流路の流れ抵抗よりも低い流れ抵抗を備える。装置は、少なくとも、濾過液回収域から供給原料と滞留物とを分離するための少なくとも１つのシールを有している。
【００１６】
好適な実施形態では、メンブレン装置の多孔質材料は、セラミックスである。装置の構造は、単一のモノリスまたはモノリスセグメントの組立体から構成可能である。メンブレン装置は、濾過液回収のためのハウジングに収容することができ、この濾過液回収域は、装置とハウジングとの間の環状空間である。代替案として、装置は外表面に沿って隔離することができ、濾過液は装置の端面から取り出すことができる。
【００１７】
装置内で使用されるメンブレンは、約０．１ミクロン〜約１ミクロンの気孔寸法を有する精密濾過膜または約５ｎｍ〜約０．１ミクロンの気孔寸法を有する限外濾過膜とすることができる。好ましくは、メンブレンは、セラミックメンブレンである。
【００１８】
縦型搭載メンブレン装置は、装置の下部端面より下方に延びているシュラウドを内蔵し、ガスは、シュラウドによって作り出された空洞内に噴射される。好ましくは、通路の水力直径は約４〜１５ｍｍで、モノリスセグメントの好適な水力直径は約５０ｍｍよりも大きい。
【００１９】
このメンブレン装置は、交差流メンブレン装置に加えて、液体供給原料の導入の手段を備えるメンブレンバイオリアクタ供給タンクと、濾過液を装置の濾過液回収域からバイオリアクタの濾過液放出箇所まで運ぶための手段とを含むメンブレンバイオリアクタにおいて用いることができる。
【００２０】
メンブレン装置は、内部エアリフト循環ループで、バイオリアクタ供給タンク内部に設置することができ、または、外部エアリフト循環ループで、供給タンクの外側に設置することができる。噴射ガスは、空気または酸素とすることができ、したがって、バイオリアクタは好気状態で作動することができ、または、噴射ガスは、低いまたは無視できるほど極僅かの酸素含量を有するようにすることができ、したがって、バイオリアクタは嫌気性状態で作動することができる。
【００２１】
本発明は、さらに、供給原料を浸漬式エアリフトメンブレン・バイオリアクタに導入することを含むバイオリアクタプロセスを特徴とする。ガスは、少なくとも１つの浸漬式縦型搭載メンブレン装置の下部供給入口で噴射され、装置を通して供給原料のエアリフト循環を与え、供給原料は、濾過液と、装置の上部端を通過する残留ガス含有滞留物とに分離される。装置は、多孔質材料から成る１以上のモノリスセグメントの構造を含み、各モノリスセグメントは、下部供給端面から上部滞留物端面まで長手方向に延びている複数の通路を規定し、モノリスセグメントにおけるこの通路の表面積は、モノリスセグメント容積の１立法メートルあたり少なくとも１５０平方メートルである。多孔質材料は、少なくとも３０％の空隙率および少なくとも３μｍの平均気孔寸法を有し、平均気孔寸法が１μｍ未満の多孔質メンブレンは、モノリスセグメント通路の壁に施され、分離障壁を与える。装置内の少なくとも１つの濾過液導管は、濾過液を装置内から装置の濾過液回収域に向かって運び、この濾過液導管は、多孔質材料を通した代替の流路の流れ抵抗よりも低い流れ抵抗を備える。装置は、濾過液回収域から供給原料と滞留物とを分離するための一手段を有している。濾過液回収域で集められた濾過液は、バイオリアクタの濾過液放出箇所まで運ばれる。
【００２２】
発明の詳細な説明
以下では、エアリフトＭＢＲに焦点をあてて説明する。しかしながら、本発明の主題であるメンブレンエレメントは、供給原料液が濾過液流と滞留物流とに分離されるいかなる圧力駆動式メンブレンプロセスにも用いることができる。メンブレンを通って発生する圧力駆動力は、供給原料の圧力の駆動力よりも低い、濾過液圧力を生成するために、濾過液ポンプを用いることによって加圧することができる。代替案として、濾過液は、メンブレンエレメントのレベルよりも物理的に下の位置で取り出すことができ、この場合には、濾過液の取り出し箇所より高いメンブレンエレメントの位置の高さは、重力水頭の膜貫通圧力を生成する。供給原料が実質的には大気圧であるプロセスが想定される場合は、加圧された供給原料も必要な膜貫通圧力を生成するために用いられる。本発明が特に適用されるメンブレンプロセスは、精密濾過および限外濾過を含む。しかしながら、必要な膜貫通圧力を発生することができる場合には、本発明は、ナノ濾過および逆浸透のために用いられ得るであろう。
【００２３】
本発明は、エアリフトＭＢＲに対する重要な要件を考慮して、浸漬式エアリフトＭＢＲで、大きな直径のモノリスメンブレン装置の利用の可能性を認識している。すなわち、その要件とは、以下の通りである。
【００２４】
１．相対的に低い膜貫通圧力（ＴＭＰ）でのＭＢＲの作動、およびその結果生じる、モノリスメンブレン支持体および高透過率を備えたメンブレン被覆を有することが必要となること、
２.高レベルの浮遊物（たとえば、１０，０００〜２０，０００ｍｇ／ｌ）によるＭＢＲの作動、この場合は、最小寸法未満の通路を閉塞する恐れがあること、および、
３．ＭＢＲバイオマスを効率的に保持するために充分小さな気孔寸法を備えるメンブレンを有することが必要となること。
【００２５】
本発明では、多孔質ハニカム状モノリスセグメントが１以上、メンブレン支持体として用いられる。モノリス材料は、好ましくは、セラミックスであるが、多孔質の金属、プラスチックを充填した樹脂、樹脂接合ガラス、砂もしくは金属、またはその他の複合材料である。たとえば、好適な材料は、上述で引用したゴールドスミスの米国特許明細書およびシュトッベらの米国特許明細書、および参照によって本明細書に組み込まれている、２００２年３月１３日出願の米国特許出願公開第１０／０９７９２１号明細書で開示されている。
【００２６】
モノリスは、円形、四角形、六角形、長方形、三角形またはその他の断面を有することができる。通路の水力直径は、２ｍｍまたはそれ以上で、好ましくは、約４〜１５ｍｍの範囲内で、エアリフトＭＢＲにおける運転条件で固形物による閉塞を阻止するように充分大きく選択される。モノリス空隙率は、３０％よりも大きく、透過率を最大化するため、好ましくは、４０％よりも大きくするべきである。モノリス通路壁の肉厚は、適切な強度および透過率を与えるために充分大きくすべきであるが、単位容積あたりの通路壁肉厚を有害を及ぼすまでに減少するほど大きくしてはならない。典型的には、モノリス通路壁肉厚は通路水力直径の２０％と４０％との間であろう。装置のコストを最小にするために、モノリスの水力直径は、相対的に大きく、好ましくは約５０ｍｍよりも大きくするべきである。
【００２７】
モノリス支持体の構造は、上述で引用したゴールドスミスの特許明細書およびシュトッベらの特許明細書に開示されている通りとされ得る。これら明細書には、内部濾過液導管を備えた単一のモノリス、セグメント間の空間によって形成された濾過液導管を備えたモノリスセグメントの回収体、および１以上の内部濾過液導管を有するセグメントなどを含む。
【００２８】
モノリス支持体（または、複数の支持体）は、ＭＦメンブレンまたはＵＦメンブレンで被覆することができる。メンブレンは、セラミック、高分子または金属製とされ得る。メンブレン被覆材料および管状モノリス支持体を被覆するための手順は、メンブレン技術において周知である。好適なメンブレンの一範疇には約０．１〜０．５μｍの範囲内の気孔寸法を有するＭＦメンブレンが含まれ、このメンブレンは、微生物に対して、非常に高い保持効率を有することができる。使用することのできる第２の種類のメンブレンは、気孔寸法は約０．０１〜０．１μｍの範囲内のＵＦメンブレンで、このメンブレンは、ウイルスを高効率で保持することもできる。
【００２９】
メンブレンで被覆した後、単一のまたは多数のモノリスセグメント装置は、ＭＢＲ供給内容物から濾過液を分離するための手段で構成しなければならないメンブレンエレメントとなる。ハニカム型、モノリスメンブレンエレメント構造に対しては、濾過液取出し手段は、上述に引用し本明細書に参照として含まれているゴールドスミスの特許明細書に開示されている。１つの手段は、濾過液をモノリスメンブレンエレメントからその側面に沿って囲みハウジングに取出すことである。これを達成する１つの簡単な手段は、メンブレンエレメントをハウジング内に収容することである。図１に示されるように、内部濾過液導管を備えた個々のフィルタエレメント１２が、収容用化合物１３で、ハウジング１０内に収容される。ハウジング１０は、図示されるように、隔離リング１４および支持リング１５を含む。濾過液を取り出す別の方法は、濾過液をメンブレンエレントの端面から取り出すことである。これは、たとえば、シュトッベらのセグメント化された構造で、ゴールドスミス（米国特許第５００９７８１号明細書）の濾過液回収管で、および、濾過液をマルチセグメントエレメントの端面から取り出すことで、達成することができる。このような構造は、図２に図示されている。この例では、外表面がシールされた「リングセグメント」１６（８個が図示されている）が、濾過液取り出しのための中央空洞１７の周りに組み立てられている。セグメント１６は、組立体をともに保持するために、および濾過液がこの構造の円周側面から出るのを防止するためにシールされた外周面不透水性のスリーブまたはその他の方法で包まれている。中央空洞１７は、濾過液取出し管（空洞１７中に配置されているが、図示されていない）に接続されているが、その構造の全長に亘る必要はない。濾過液導管のセグメント間の部分１８およびセグメント間の部分１９は、端面でシールされている。組み立てられたセグメント化構造物は、濾過液が、供給排水によって汚染されるのを防ぐために、端部で適切にシールされる。濾過液取出し管は、ＭＢＲ排水処理タンクにおいて、垂直方向に搭載されたメンブレンエレメントのための機械的支持体としても働くことができる。
【００３０】
上述の種類の構造体は、非常に高いメンブレン充填密度を有することができる。たとえば、異なる通路サイズおよびモノリス壁肉厚に対しては、供給原料に接触するための通路の利用率を８０％と仮定した場合は、表１の充填密度が達成される。
【００３１】
【表１】
2005536338.tif 000003
【００３２】
メンブレンエレメントは、濾過液と供給排水とを分離するための手段および濾過液を外部箇所に取り出すための手段を備え、メンブレン装置になる。濾過液を駆動するために必要な膜貫通圧力（ＴＭＰ）は、他の浸漬式ＭＢＲにおいて通常使用される手段、すなわち重力水頭、または装置の濾過液側で部分的に減圧する濾過液ポンプのいずれかによって、達成することができる。
【００３３】
多重メンブレン装置は、図３ａおよび図３ｂに示されるように、ＭＢＲ排水タンク中に最密充填配列で、垂直方向に搭載することができる。図３ａは、２×８配列の四角形状のフィルタエレメント１２’を図示している。これらのエレメントは、外被（図示せず）の側面から濾過液を取り出すことができ、または、端管を内部濾過液回収空洞に接続することができる。図３ｂは、４×７配列の円形状のフィルタエレメント１２”を図示している。これらのエレメントは、濾過液を、個々のハウジング殻からまたは上部端面または下部端面からの端管から取り出すことができる。好気性ＭＢＲに対しては、空気（または酸素）が、圧縮空気源または酸素源と連通した適切なスパージャ２１を備えたメンブレン装置の下端部で噴射され、上昇ガス２２は、通路を通る液流にエアリフトを与え、生物的酸化プロセスのための酸素を与える（図４）。メンブレン装置の下部の周りにシュラウド２３を設け、空気（または酸素）をシュラウド内で噴射させ、噴射ガスは全て、装置の通路を通り上昇することを確実にすることが可能である。このことは、メンブレン装置内の効率的なエアリフトの物質移動の点から見て、空気または酸素の導入の最も効率的な手段を提供する。これは、ガスの全てが、特に、中空糸ＭＢＲ接触器において見られるように、無視できるほどのバイパスを有するメンブレン装置を通って流れるからである。
【００３４】
同様のメンブレン装置は、不活性ガスまたは酸素含量の低いガスで噴射して、嫌気性ＭＢＲに用いられる。
【００３５】
図６に示されるように、メンブレン装置の配置は、装置の上部におけるガスと液体との遊離後、下降流液に対して利用できるメンブレン装置群２５間に間隔を有している。これら群２５は、脱気された下降流液のための開放空間によって分離されている。濾過液の取出しは、濾過液を除去するために使用されるのがハウジングであるのか内部空洞であるのかに依存している。装置の下部における好気性スパージャは、図示されていない。
【００３６】
本発明の利点には、以下のものが含まれる。第一に、メンブレン装置の小型化によって、浸漬式ＭＢＲリアクタの単位容積あたりのメンブレン面積が中空糸およびプレートＭＢＲの単位容積あたりのメンブレン面積と匹敵するほど、非常に大きくなる。第二に、装置通路内における液体の流体力学的制御によって、装置全体にわたって均一の、非常に高い物質移動が促進される。シュラウドの使用によって、導入されたガスが全て、効率的なエアリフトのために用いられることが確実になる。これにより、他のメンブレン装置に比べて、高密度のメンブレン束および単位束あたりの低圧縮ガス動力が与えられる。好適なメンブレンは、セラミックスであろう。これは非常に丈夫で、機械的に耐久性があり、中空糸およびプレート形状で用いられる高分子メンブレンに比べて、寿命が長いと予想できる。特に、セラミックメンブレンについては、親水性が高く、したがって、ＭＢＲ中に存在する有機汚染物質に対する吸着性が弱いメンブレン被覆を施すことが可能である。これによって、汚れが減少され、化学的洗浄の有効性が改善されるであろう。これらの装置は、通常の運転様式において、特に、濾過液の取出しをせずに運転する場合には、加圧濾過液逆洗、加圧ガス逆洗、化学溶液逆洗および化学洗浄の循環によって洗浄することができる。洗浄剤には、酸、苛性剤および次亜塩素酸塩などの酸化剤が含まれる。
【００３７】
本明細書に開示されているように、直径の大きなモノリス装置の使用は、低コスト高分子メンブレンとコスト競争力のあるセラミックメンブレン装置の製造に繋がる。メンブレン装置は、単位メンブレン面積あたりの高分子中空糸よりも高価であるかもしれないが、より高密度のメンブレン束、より低い消費電力およびより長いメンブレン寿命という予想される利点は、より高価なメンブレン面積コストと相殺するであろう。
【００３８】
メンブレン装置をＭＢＲ供給タンク中に浸漬する代替案として、メンブレン装置を外部エアリフト循環様式で用いることができる。この構成では、メンブレン装置は、供給タンクの外側に搭載され、メンブレン装置中のエアリフトガスが、供給タンクと外部メンブレン装置との間の循環をもたらす。
【００３９】
本発明の具体的な特徴は、様々な実施形態で説明されているが、各特徴は本発明に従う他の特徴のいずれかまたは全てと組み合わされてよいので、これは、便宜上のためだけである。他の実施形態が、当業者に想到されるであろうが、本明細書の請求項の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に従う囲みハウジング中の収容式メンブレンエレメントの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に従う中央空洞の周りに組み立てられたセグメント化構造の斜視図である。
【図３ａ】本発明の実施形態に従うメンブレンバイオリアクタ排水タンクに垂直方向に搭載された多数のメンブレン装置の上面図である。
【図３ｂ】本発明の実施形態に従うメンブレンバイオリアクタ排水タンクに垂直方向に搭載された多数のメンブレン装置の上面図である。
【図４】本発明の実施形態に従う、空気がメンブレン装置の下部端で噴射される好気性メンブレンバイオリアクタの断面図である。
【図５】本発明の実施形態に従う、空気がメンブレン装置の下部端のシュラウド内で噴射される好気性メンブレンバイオリアクタの断面図である。
【図６】本発明の実施形態に従う、バイオリアクタタンク中のメンブレンモジュール群の上面図である。
【図１】
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【図２】
2005536338.tif 000005
2005536338.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005536338.tif 000008
【図６】
2005536338.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月27日(2005.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体供給原料とガスとを受入れ、該供給原料を濾過液とガス含有滞留物とに分離するための濾過装置であって、
多孔質材料から成る少なくとも１つのモノリスを含む濾過器であって、該モノリスがモノリスの供給端面から滞留物端面まで長手方向に延びている複数の通路を含む、濾過器と、
供給原料およびガスをモノリスの供給端面に導入するための少なくとも１つの装置への入口であって、液体供給原料およびガスはモノリスを通って流れ、ガス含有滞留物はモノリスの滞留物端面から出て行く、装置への入口と、
濾過器の外側にある濾過液回収域と、
供給端面および滞留物端面から隔離され、濾過液を濾過液回収域の方へ運ぶための、濾過器内部にある少なくとも１つの濾過液導管であって、多孔性材料による代替の流路の流れ抵抗よりも低い流れ抵抗の経路を与える、濾過液導管と、
ガス含有滞留物を濾過器の滞留物端面から取り出すための少なくとも１つの装置からの出口と、
濾過液回収域から供給原料とガス含有滞留物とを分離するための少なくとも１つのシールとを含むことを特徴とする濾過装置。
【請求項２】
モノリス通路壁面の表面積は、モノリスの１立方メートルあたり、少なくとも１５０平方メートルであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
濾過器の多孔質材料がセラミックであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
多孔質材料は、少なくとも３０％の空隙率および少なくとも３ミクロンの平均気孔寸法を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
濾過器は、単一のモノリスからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
濾過器は、モノリス組立体からなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
濾過器が収容されるハウジングをさらに含み、濾過液回収域は、濾過器とハウジングとの間の空間であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
濾過器はその外表面に沿ってシールされており、濾過液は、濾過器の少なくとも１つの端面から取り出されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
濾過器は内部濾過回収空洞を規定し、装置は前記濾過液回収空洞内の濾過液回収管をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
装置は垂直方向に配向され、入口は装置の下部にあることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】
多孔質材料の気孔寸法よりも小さい気孔寸法の選択透過性膜をさらに含み、該選択透過性膜が濾過器の通路壁面に施されることを特徴とする請求項１記載の濾過装置。
【請求項１２】
濾過器に施される選択透過性膜は、精密濾過および限外濾過に適したメンブレンからなる群から選択され、メンブレンは、約５ｎｍ〜約１ミクロンの気孔寸法を有することを特徴とする請求項１１の濾過装置。
【請求項１３】
メンブレンバイリアクタであって、
請求項１１記載の濾過装置と、
液体供給原料を導入する手段を備えたバイオリアクタ供給タンクと、
濾過液を装置の濾過液回収域から濾過液放出箇所まで運ぶ手段とを含むことを特徴とするメンブレンバイオリアクタ。
【請求項１４】
メンブレン装置は、内部循環ループで、バイオリアクタ供給タンク内部に設置されることを特徴とする請求項１３記載のバイオリアクタ。
【請求項１５】
メンブレン装置は、供給タンクの外側に設置されることを特徴とする請求項１３記載のバイオリアクタ。
【請求項１６】
装置への入口は、供給端面に近接して配置されたガススパージャを含み、噴射ガスは、空気または酸素であり、バイオリアクタは好気性状態下で作動することを特徴とする請求項１３記載のバイオリアクタ。
【請求項１７】
装置への入口は、供給端面に近接して配置されたガススパージャを含み、噴射ガスは低いまたは無視できるほどの酸素含量を有し、バイオリアクタは嫌気性状態下で作動することを特徴とする請求項１３記載のバイオリアクタ。
【請求項１８】
装置への入口は、供給端面に近接して配置されたガススパージャを含み、装置を通して供給原料のエアリフト循環を与えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１９】
供給端面は下端面であり、濾過器は前記下端面より下方に延びるシュラウドをさらに含み、前記下端面で空洞を規定し、ガススパージャからのガスが前記空洞に噴射されることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
濾過装置において、液体供給原料を濾過液とガス含有滞留物とに分離する方法であって、
請求項１記載の濾過装置を準備し、
液体供給原料とガスとを、装置に収容された濾過器の供給端面と、濾過液とガス含有滞留物とに分離するための複数の濾過器通路とに導入し、
濾過液を、前記通路から、濾過器中の濾過液導管を少なくとも部分的に通って、外部濾過液回収域に向かって流し、
濾過液を、濾過液回収域に集め、
濾過器の滞留物端面および装置の出口からガス含有滞留物を除去することを特徴とする方法。
【請求項２１】
メンブレンバイオリアクタ・プロセスであって、
液体バイオマス供給原料を収容するバイオリアクタ供給タンクを準備し、
請求項１１記載の濾過装置を準備し、
バイオリアクタタンク供給原料を装置の入口に導入し、
装置の前記入口に近接してガスを噴射し、供給原料を、実質的にバイオマスを含まない濾過液と装置の出口から出て行くバイオマスおよびガス含有滞留物とに分離することを特徴とするプロセス。
【請求項２２】
メンブレン装置は、バイオリアクタ供給タンク中に浸漬されることを特徴とする請求項２１記載のプロセス。
【請求項２３】
メンブレン装置は、供給タンクの外側に設置されることを特徴とする請求項２１記載のプロセス。
【請求項２４】
膜貫通圧力の少なくとも一部は、濾過液ポンプによって生成されることを特徴とする請求項２１記載のプロセス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３ａ】
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【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３ｂ】
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【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
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【国際調査報告】
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