(57)【要約】  フィルタ要素と圧力容器との間の隙間内の圧力がフィルタ要素の内部の圧力より高い、螺旋状に巻回された膜フィルタを用いる限外濾過方法が開示されている。これらの条件を用いることにより、圧力によって生成された静的な力が、螺旋状に巻回されたフィルタ要素内の異なるシートどうしの間に高い摩擦をもたらし、フィルタ要素の巻きの戻りおよび軸線方向ずれを効果的に防止する。この構造を用いることにより、フィルタ要素を横切る圧力差として、そうでない場合に可能であった値よりも高い圧力差を用いて限外濾過を実行することが可能となり、より高い効率および低いエネルギー使用量につながる。さらに、開示されている方法のために特に適した、軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）および螺旋状に巻回されたフィルタ要素が記載されている。
2005512800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）によって分離された１つないし複数のフィルタ要素を圧力容器内に備える限外濾過のためのフィルタ組立体であって、
１つないし複数のフィルタ要素を圧力容器内に備え、各フィルタ要素のためにその上流および下流にそれぞれ軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）が配置されている限外濾過のためのフィルタ組立体であって、
前記フィルタ要素は１つないし複数の膜を有し、それぞれの膜は、その両側が分離膜によって覆われた中央浸透スペーサを具備するとともに、１つの縁部が浸透管に接続され他の３つの縁部が塞がれており、濃縮スペーサと共に中央浸透管の周りに巻回されて、流体が、前記巻回されたフィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間から前記巻回されたフィルタ要素内へと、接線状に螺旋方向へ流入するようにして、前記膜と前記濃縮スペーサとが前記巻回された要素の内部において交互に存在するように構成され、
前記巻回されたフィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間内への流入は自由であるが前記隙間からの流出は制限されていて、当該隙間からそれぞれの巻回されたフィルタ要素の後方の隙間へは流れが許容されずあるいは限られた流れのみが許容されているフィルタ組立体において、
前記巻回されたフィルタ要素に、当該フィルタ要素の流入口における圧力が、前記フィルタ要素と圧力容器との間の隙間内の同じ長手方向位置における圧力以下であることを確実なものとする手段が設けられていることを特徴とするフィルタ組立体。
【請求項２】
前記ＡＴＤは、前記螺旋状に巻回された膜要素の半径より短い距離をｄとしたときに、前記中央浸透管からの距離が前記ｄの値より長い距離において前記巻回されたフィルタ要素の出口側に当接して、流体が前記フィルタ要素から流出することを防止するリングを有して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ装置。
【請求項３】
前記フィルタ要素の前記流入口における圧力が、前記フィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間内の同じ長手方向位置における圧力以下であることを確実なものとする手段が、前記螺旋状に巻回されたフィルタ要素の流入口に配置された流量制限器であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ組立体。
【請求項４】
前記流量制限器が前記ＡＴＤと一体に作られていることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ組立体。
【請求項５】
前記濃縮スペーサが分離膜から突出していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載したフィルタ組立体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載したフィルタ組立体を用いて限外濾過する方法であって、
前記フィルタ要素に沿った任意の位置の断面において、前記フィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間内の圧力が前記フィルタ要素の内部の圧力より少なくとも０．０１バール高いことを特徴とする方法。
【請求項７】
フィルタ要素の流入口と流出口との間の圧力差が０．５〜５バール／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
フィルタ要素の流入口と流出口との間の圧力差が１〜３バール／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
濾過される流体が水溶液であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載した方法。
【請求項１０】
処理される流体が牛乳、乳清ないし発酵ブロスであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１乃至５のいずれかに記載したフィルタ装置に用いるための軸線方向ずれを防止する装置（ＡＴＤ）であって、
近位側の前記フィルタ要素と圧力容器との間の隙間から流体が流出できずないしは限られた範囲でしか流出できないことを確実なものとするための手段と、
遠位側のフィルタ要素と圧力容器との間の隙間内への濃縮物の自由な流れを確実なものとするための手段と、
遠位側の前記フィルタ要素の流入口における圧力が、対応位置における前記フィルタ要素と圧力容器との間の隙間内の圧力より低いことを確実なものとするために、螺旋状に巻回された前記遠位側のフィルタ要素の流入口への濃縮物の流れを制限するための手段と、
備えることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は限外濾過のための改良された方法、この方法のために特に適した軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）および前記方法における使用に特に適した限外濾過膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
より大きな微粒子を保持しつつより小さな微粒子がフィルタを通過するようにして供給原料流を濃縮するために限外濾過を用いることは、工業分野において周知である。限外濾過膜の使用は、特に乳製品工業および医薬品工業において広く行き渡っている。良く知られた他の使用は逆浸透であり、本質的に水より大きい全ての微粒子が保持されて浸透した物が純水となる。逆浸透は、例えば家庭用あるいは潅漑用の淡水を製造するべく海水を脱塩するために用いられる。
【０００３】
これらの全ての用途において基礎となっているものは、意図する用途に適した浸透特性を有する膜である。処理量が明らかに膜の表面積によって決まるので、大きな面積の膜を用いることが望ましい。多量の処理装置を回避するために、そのような膜は多くの場合に螺旋状に巻回された形態で配設される。
【０００４】
典型的な螺旋状に巻回されたフィルタは、直列の流れモードになるように接続されて円筒圧力容器内に配設された、１〜６個の螺旋状に巻回された要素から成る。典型的な螺旋状に巻回された要素は、最終的な直径が１０〜２０ｃｍで長さが約１ｍのロールに巻回された、１つないし複数の約１×１ｍの膜から成る。ロール状の２つの膜の間には、流体を導くための透過性の多孔質媒質である濃縮スペーサが配設され、濃縮物が膜上を確実に流れることができるようにし、表面の全ての部分に分配されて固形物の蓄積を連続的に膜から洗い落とすようになっている。
【０００５】
フィルタ要素（filter elements）がタイトに巻回されている状態を保つために、巻回されたフィルタ要素の外側に硬い不浸透性のシェルを設けることはこの分野において公知である。この構成においては、フィルタ要素に出入りする流れはその端部を軸線方向に通過する。
【０００６】
濃縮スペーサ内の流れは軸線方向あるいは非軸線方向の流れであるが、この非軸線方向の流れは、巻回された螺旋状の要素の外側から中心へと螺旋状に進む接線方向の動きである。濃縮スペーサの或る設計が接線方向において螺旋状に進む動きを生じさせるが、他の設計においてはそうではないことはこの分野において公知である。
【０００７】
各膜は、典型的に多孔質の中央誘導媒質である、中央浸透管に接続された浸透スペーサから成り、かつ浸透スペーサの両側には分離膜が設けられている。この組立体は、分離膜を通過した流体のみが浸透スペーサに入れることを確実なものとするために、浸透管に接続されてはいない３つの縁部において、例えば接着剤によって塞がれている。
【０００８】
螺旋状に巻回された要素と圧力容器との間に生じることが避けられない隙間を最小にするために、多くの場合、多孔性透過性の組織であるトリムスペーサが、螺旋状に巻回された要素の周りに巻回されている。
【０００９】
フィルタ要素の各端部に、および２つあるいはより多くの螺旋状に巻回された要素が円筒形容器内にあるときには２つの要素どうしの間に、２つの要素間におけるセパレータとして役立つとともに螺旋状に巻回された要素が軸線方向にずれることによってその巻きが戻る傾向を減少させる軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）が通常配設されている。この分野においては、このＡＴＤの数多くの異なる設計が公知である。
【００１０】
米国特許第４，２９６，９５１号は、透過管の各端部を受け入れるための同軸孔を有した、エラストマ材料からモールド成形された回転楕円体を備える、濾過モジュールのための回転楕円体連絡管を開示している。これらの連絡管は様々な圧力範囲において有益である。
【００１１】
米国特許４，３０１、０１３は、制御されたバイパスシールを有した螺旋形膜モジュールを開示しているが、その濾過モジュールの外側表面と円筒形容器の内側表面との間の隙間には、この区画における製品のあらゆる堆積を防止するための材料が配設されている。
【００１２】
米国特許第４，８５５、０５８号は、乱流あるいは切り刻まれた層流を維持しつつ３０％以上の混交をもたらすのに十分な半径方向流れを供給濃縮物混合物に与えるための手段を備えた、高い回収率の螺旋状に巻回された膜モジュールを開示している。
【００１３】
米国特許第６，２２４、７６７号は流体分離要素を開示しているが、膜要素がその有効寿命に達して新しい要素に置き換えなければならないときに、軸線方向ずれ防止装置は着脱可能で再利用可能となっている。
【００１４】
使用の際には、濃縮される流体は圧力容器の流入口内に強制的に供給され、或るフィルタ要素は半径方向の流れを提供するが、主として軸線方向においてフィルタ要素に通される。しかしながら、流体の一部はフィルタ要素と円筒形容器との間の隙間を通ってフィルタ要素を通過し、バイパス流れを生じさせる。
【００１５】
当業者は、フィルタ要素に沿った圧力降下が、液体の移動経路において遭遇する流体抵抗によって左右されるということを理解するであろう。したがって、たとえ始圧および終圧が同一であっても、フィルタ要素と容器との間の隙間内における圧力特性は、螺旋状に巻回されたフィルタ要素の内部の径路における圧力特性とは異なる。すなわち、或る位置において圧力は同一であり、或る位置においてフィルタ要素と容器との間の隙間内よりも圧力が高く、或る位置においてはそれより低い。
【００１６】
フィルタ要素と圧力容器との間の隙間内の圧力よりもフィルタ要素内部の圧力が高い位置においては、螺旋状に巻回された要素には、その巻きが戻りあるいは軸線方向にずれる傾向があり、その結果としてフィルタ要素の内部に導管が形成されてフィルタ要素の効率を大幅に減少させる。
【００１７】
実際に、圧力勾配および液体の流れ速度が高いと巻きの戻りあるいは軸線方向のずれが増加する傾向があり、その結果として巻きの戻りあるいは軸線方向のずれが、螺旋状に巻回された要素に負荷しうる圧力勾配を制限することは経験するところである。そして、圧力の差が濾過運転における駆動力であることから、そのフィルタ要素の効率は限定されてしまう。
【００１８】
フィルタ要素の効率を高めるためには、螺旋状に巻回されたフィルタ要素をより高い圧力勾配において運転できることが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の発明者らは、螺旋状に巻回された限外濾過膜を用いる濾過が、円筒圧力容器内に配置された１つないし複数の螺旋状に巻回された膜フィルタ要素を用いる限外濾過方法によって改良できることを認識した。ここで、各フィルタ区画は１つないし複数の膜を有しており、この膜は、その両側が分離膜によって覆われた中央浸透スペーサをそれぞれ具備するとともに、１つの縁部が浸透管に接続されるとともに３つの縁部が塞がれており、濃縮スペーサと共に中央浸透管の周りに巻回されてこの膜と濃縮スペーサとが巻回された要素の内部において交互に存在しており、フィルタ要素と圧力容器との間の隙間から流体が接線方向で螺旋状に濃縮スペーサ内に入るようにしている。そして、フィルタ要素に沿った任意の場所における断面内において、螺旋状に巻回された膜フィルタ断面と円筒圧力容器との間の隙間内の圧力は、２つの膜間の濃縮スペーサ内の圧力以上である。
【００２０】
先行技術による螺旋状に巻回された要素を用いる限外濾過プラントにおいて、フィルタ要素と圧力容器との間の隙間は、巻回されたフィルタ要素内部の濃縮物フィルタよりも小さい液体抵抗を与える。その結果として、フィルタ要素と圧力容器との間の流体の線形速度は、巻回されたフィルタ要素の内部よりも高い。ベルヌーイの式によって表される流体の物理的な法則が教えるところでは、より高い速度で移動している流体の静圧は低い速度で移動している流体に比較して低い。したがって、当業者が理解するように、先行技術によるそのような限外濾過プラントにおいて、巻回されたフィルタ要素内部の圧力は、或る位置において巻回されたフィルタ要素と圧力容器との間の隙間内の圧力よりも高い。
【００２１】
本発明の方法においては、この圧力が、圧力容器の表面から容器の中心へと向かう力を生じさせる。この力が、ロール内で隣接するシート間の摩擦を増加させ、通常より高い圧力がそのようなフィルタ要素に負荷されたときにおいても、あらゆる巻きの戻りおよび軸線方向のずれを生じさせることなしにこの螺旋状に巻回された要素が所定位置に保たれることを確実なものとする。
【００２２】
このことは、約１ｍの長さを有するフィルタ要素の流入口と流出口との間の圧力差が２バール以上といった、先行技術において用いられる圧力よりも著しく高い圧力においてフィルタ要素が運転されることを可能にする。そのような高い圧力差は濾過要素（filtration element）に対してより高い効率をもたらし、分離膜の単位面積あたりの濃縮度がより高くなることを確実なものとする。さらに、先行技術による方法と比較して、より低いエネルギ使用量を達成することができる。
【００２３】
そのような有利な圧力は、螺旋状に巻回された要素と圧力容器との間の流入して来る流体のための流路が、フィルタ要素の流入口おいては開放されているが、フィルタ要素の流出口においては塞がれあるいは制限されているようにフィルタを設計することによって確立することができる。このようにして、本発明の方法によって圧力が確立される。
【００２４】
本発明による有利な圧力状態は、軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）を用いることにより確立することができる。この装置は、円筒圧力容器内に配置されると、螺旋状に巻回された膜フィルタ断面の直径より小さい値をｄとしたときに中央浸透管からの距離がｄの値よりも大きいところにおいて、先行するフィルタ要素あるいは流入口から流入する濃縮物がＡＴＤを通過することができずあるいは限られた範囲でしかＡＴＤを通過できないが、先行するフィルタ要素からの濃縮物の流れはその後に続くフィルタ要素と圧力容器との間の隙間内に自由に流入できるようにすることを確実なものとする要素を備える。
【００２５】
好ましい実施例においては、このＡＴＤには、その後に続くフィルタ要素内に流入する流体が、このフィルタ要素の外周に接触するよりも低い圧力においてこのフィルタ要素の端部に接触することを確実なものとする流量制限器が設けられる。
【００２６】
他の好ましい実施例においては、本発明の方法に用いるフィルタ要素は１つないし複数の膜を備えており、この膜は、その両側が分離膜によって覆われた中央浸透スペーサをそれぞれ具備するとともに、１つの縁部が浸透管に接続されるとともに３つの縁部が塞がれており、巻回された要素の内部においてこの膜と濃縮スペーサとが交互に存在するように濃縮スペーサと共に中央浸透管の周りに巻回されていて、濃縮物はフィルタ区画と円筒圧力容器との間の隙間から螺旋状の接線方向において濃縮スペーサに入ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は限外濾過に関し、限外濾過膜は円筒圧力容器内に含まれる１つないし複数の螺旋状に巻回された要素を備えており、そこにおいて１つないし複数の溶解した化合物を含みつつ流入する流体が濃縮されると同時に、流入した流体の低分子量の要素から成る浸透物を形成する。圧力容器内の螺旋状に巻回されたフィルタを用いて実行されるそのような分離には、問題となっている個々の膜の実際のカットオフ値に応じて、例えば限外濾過、精密濾過および逆浸透のような異なる用語を用いることができる。当業者は、説明が主として限外濾過に関してなされても、本発明がこれらの用語のいずれにもあるいは特定の範囲のカットオフ値を有した膜にも限定されず、本発明をこれらの分離に用い得ることを理解するであろう。
【００２８】
そのような螺旋状に巻回された要素は、この分野においては周知である。本発明は、原則として、中央浸透管の周りに巻回された分離膜と濃縮スペーサとを有する任意の螺旋状に巻回された濾過要素を用いて実施することができるが、その螺旋状に巻回された要素はフィルタ要素と圧力容器との間の隙間から濃縮スペーサ内への接線方向への進入を許容する。
【００２９】
螺旋状に巻回された要素に用いる膜は中央シート、浸透スペーサから成り、浸透物を受け入れて中央の浸透管に移動させる。浸透スペーサの両側には分離膜が取り付けられており、かつこの組立体は例えば接着剤によりその縁部が塞がれていて、浸透スペーサ内に入った流体のみが分離膜に入り、塞がれていない縁部を介して浸透スペーサからのみ流出することができ、それによって中央の浸透管に導かれることを確実にしている。この分離膜は、意図する用途に適したカットオフ値を有するように選択される。
【００３０】
このカットオフ値は、この明細書においては、膜を浸透することができる化合物が持ち得る最も高い分子量であると通常通りに理解されなければならない。
【００３１】
螺旋状に巻回された要素は、中央浸透管に取り付けた膜をその周りに巻回することによって作られる。螺旋状に巻回された要素における２つの膜どうしの間には、低分子量の成分が膜を通過するに連れて次第に濃縮された入って来る流体を輸送するためのシートである、濃縮スペーサが挿入されている。
【００３２】
浸透スペーサおよび濃縮スペーサの機能は、意図された運転圧力において液体の水路のためにそれらが開かれて配置された隙間を保つことにある。
【００３３】
螺旋状に巻回された要素については、本発明を実施するために先行技術において周知な膜およびスペーサを用いることができる。
【００３４】
限外濾過フィルタ内あるいは螺旋状に巻回された濾過要素における異なる位置を区別するために、「先行している」という用語は流入口により近いと理解され、「その後に続く」という用語は濃縮物のための流出口により近いと理解される。
【００３５】
螺旋状に巻回された要素を圧力容器に取り付ける間に、螺旋状に巻回された要素と圧力容器との間の隙間が必然的に生じる。この明細書においては、この隙間はスロットとも呼ばれる。
【００３６】
本発明による濾過は、圧力容器の任意の位置の断面において、螺旋状に巻回された要素内部の濃縮スペーサにおける圧力よりもスロット内の圧力の方が高いかあるいは等しいことを確実なものとすることによって実施される。この圧力分布は、運転中に、螺旋状に巻回された要素の巻きが戻りあるいは軸線方向に位置ずれする傾向を減少させる。フィルタ内におけるこの特別な圧力分布を用いることにより、圧力分布が異なる場合に可能であるフィルタ要素横断方向の圧力差よりも高い圧力差において、螺旋状に巻回されたフィルタ過要素を運転することができる。より高いフィルタ要素横断圧力差を用いることにより、膜を横切る圧力が増加し、フィルタ要素内に存在する分離膜の単位面積あたりの処理能力が高くなることに結びつく。明らかに、このことは有利である。フィルタの容量が増加して装置のための投資の必要性が減少するからである。さらに、この方法は低いエネルギー消費量で実施することができる。
【００３７】
原則として、限外濾過膜、すなわち螺旋状に巻回されたフィルタ要素の流入口と流出口との間の最大圧力差は、巻回された膜およびスペーサの圧縮率によって決定することができる。当業者は、充分な多孔率のためにフィルタ要素に用いられるスペーサが、高い機械的な負荷の下で圧縮され得ることを理解するであろう。螺旋状に巻回されたフィルタのいずれの部分も、圧縮されることは望ましくない。圧縮が誘導特性の変化を生じさせるからである。したがって、流入口と流出口との間の圧力差は、膜およびスペーサに圧縮が生じないように選択されなければならない。
【００３８】
使用の際には、濾過要素の流入口と流出口との間の圧力差は、濾過要素１メートルあたり約１バールより高く、好ましくは１〜５バール／メートル、より好ましくは１．５〜３バール／メートル、最も好ましくは約２バール／メートルである。
【００３９】
スロット内の圧力は、濾過要素内部の圧力に対し、好ましくは少なくとも０．０１バール高い。
【００４０】
横断面においてスロット内の圧力がモジュール内部の圧力よりも高いあるいは同等であるということは、流体が、流入口側からスロット内に入ることはできるが、フィルタ要素の流出口側においてはスロットから流れ出ることがなく、あるいはフィルタ要素の流出口側の限られた範囲においてのみスロットから流れ出る、ということを確実なものとすることによってもたらされる。このようにして、濾過要素の内側部分に較べてより高い圧力がスロット内に生成される。
【００４１】
「限られた範囲」という表現は、濾過ユニットの任意の場所において液体の流れがないよどんだ地帯の形成を防ぐのには十分な量であるが、本質的に全ての流体がフィルタを通過することを確実なものとするには充分に低い量での、スロットからのわずかな流出は許されることを意味する。当業者は、例えば食品あるいは医薬品工業のための衛生的なシステムにおいて、よどんだ地帯が存在しないことが重大であることを理解する。そのようなよどんだ地帯が、明らかに容認できない微小な生命体の定着を可能とするからである。
【００４２】
限定された範囲の流れは、例えば密封装置における孔といった、流体のための狭い通路のような液体抵抗を、スロットの流出口に配置することによってもたらされる。
【００４３】
本発明による螺旋状に巻回されたフィルタ要素内の運転されるときの流れは、図８に示されている。
【００４４】
理論によって束縛されることは望まないが、螺旋状に巻回された要素内部より高いスロット内の圧力が要素の中心を向いて膜上に作用する力を生成すると考えられ、この力が螺旋状に巻回された要素における異なるシート間の摩擦を増加させ、その結果としてシート間の横方向の移動の傾向が減少し、巻の戻りあるいは軸線方向のずれの傾向が減少することを確実なものとする。
【００４５】
図２には、先行技術に基づいて運転されるフィルタ要素におけるスロット内部および要素内部の圧力線図が示されている。図２に現れているように、フィルタ要素に沿った或る位置において、スロット内の圧力はモジュール内部の圧力より高いあるいは同等である。したがって、要素における異なるシートどうしの間の摩擦を減少させるような、静的な外向きの力が生じる。
【００４６】
これに対して、本発明により運転されるフィルタ要素においては、その圧力が図３に示されているが、異なる区画どうし間における圧力の相違によって生み出される静的な力が圧力容器の中心に向けられて、螺旋状に巻回されたフィルタにおいて隣接するシートどうしの間の摩擦を増加させるとともに、一つのシートが隣接するシートに対して変位することを防止して要素の巻戻りを防止する。フィルタ要素の流入口に近い側の端部においては、スロットと要素の内側との間に本質的な圧力の差は見出されないが、圧力の差は要素の長手方向に沿って増加する。
【００４７】
一つの実施例においては、流体が流量制限器を外れてスロット内に流入するように、螺旋状に巻回された要素の前側に流量制限器が配置される。この流量制限器は、フィルタ要素の近位側の部分における圧力が特定の場所におけるスロット内の圧力より低くなることを確実なものとする役割を果たす。
【００４８】
流れ制限の特性は、フィルタ要素の入口と、フィルタ要素の流入口に最も近い端部に対応する位置におけるスロット内の圧力との間に、充分な圧力差が生成されるように選択される。前記圧力差は、好ましくは０．０１バールより大きく、より好ましくは０．０５〜０．１バールの範囲である。
【００４９】
流量制限器は、フィルタ要素の近位端への流れを制限することができるとともに圧力に耐えるために十分に強い、任意の材料から製造することができる。そのような流量制限器にどの材料が適しているかを決定することは、当業者の技術の範囲内にある。
【００５０】
流量制限器を使用すると、フィルタ要素の圧力特性は図４に示したようになる。
【００５１】
ＡＴＤは、フィルタ要素のそれぞれの端部に配置され、複数のフィルタ要素が圧力容器内に配設されている場合には一対のフィルタ要素どうしの間に配置される。本発明に基づいた使用に特に適しているＡＴＤは、限外濾過ユニットにおいて２つの螺旋状に巻回された薄膜フィルタ部分どうしを分離するための、本発明による軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）である。この装置は、円筒圧力容器内に配置されたときに、中央の浸透管からの距離がｄ（ｄの値は螺旋状に巻回された膜フィルタ要素の直径より小さい）より長い位置においては、流入口あるいは先行しているフィルタ要素から流入する濃縮物はＡＴＤを通過することができずあるいは限られた範囲しか通過できないけれども、先行しているフィルタ要素から流入する濃縮物はその後に続くフィルタ要素と圧力容器との間のスロット内に自由に流れ込むことができるようにすることを確実なものとする要素を備えている。
【００５２】
この設計は、流体が、先行しているフィルタ要素のスロットから２つの要素間の中間隙間内へと流体が流入することができずあるいは限られた範囲でしか流入することができないが、同時にこの中間隙間からその後に続くフィルタ要素と圧力容器との間の隙間内には流れることができることを確実なものとする。このような構成により、本発明によるＡＴＤは本発明による方法における有利な圧力分布を確実なものとする。
【００５３】
距離ｄと圧力容器の半径との比率が０．４〜０．９５の範囲、好ましくは０．７５〜０．９５の範囲、最も好ましくは０．８〜０．９の範囲にあるように選択される。
【００５４】
流体の限られた通過はまた、流体の制御されたバイパスとみなすことができる。制御されたバイパスを有することは、流体が濾過ユニットの全ての部分を流れるとともに、流体に動きのない「よどんだ地帯」が現れないことを確実なものとするために有利である。このことは、よどんだ地帯で細菌が成長し得るために、衛生的な理由からよどんだ地帯を回避しなければならない食品あるいは医薬品工業の用途においては特に重要である。
【００５５】
一つの実施例においては、圧力容器に対する密封のための手段をＡＴＤに設けることができる。密封のためのそのような手段は、この分野において周知である。密封のためのそのような手段の実施例は、リップシールおよびオーリングから選択することができる。
【００５６】
他の好ましい実施例において、ＡＴＤには先行するフィルタ要素から流出する流体のための流体抵抗が与えられ、この抵抗は濾過要素の中心からの距離と共に増加する。同様に、その後に続く濾過要素内に流入する流体のための抵抗がフィルタ要素の中心からの距離と共に減少するように、ＡＴＤを設計することができる。これらの異なる液体抵抗は、濾過要素内部の圧力がフィルタ要素の中心からの距離と共に増加することを確実にする。
【００５７】
異なる液体抵抗は、そこから流体が流入し(３１)あるいは流出する（３０）区画がくさび状となるようにＡＴＤを設計することによってもたらすことができるが、最も高い流れ抵抗はくさびの頂点に存在する。
【００５８】
好ましい実施例においては、その後に続くフィルタ要素の外側部分上に当接するリングがＡＴＤにさらに設けられ、流体は、外側の濃縮スペーサには入ることができないが、内側の濃縮スペーサには入ることができ、かつその後に続くスロット内への流入は妨げられない。
【００５９】
その後に続くフィルタ要素上に当接しているこのリングは、好ましくは、フィルタの外側表面からの距離がＤｒにあるフィルタ要素内への流入を遮ることが可能な寸法を有する。なお、Ｄｒと圧力容器の半径との間の比は０．７〜０．９の範囲である。
【００６０】
フィルタ要素あるいはＡＴＤの容認できない変形なしに負荷される圧力に耐えることができるために、このＡＴＤには、先行するフィルタ要素およびその後に続くフィルタ要素と接触する充分な表面を確立するための構造がさらに与えられる。この点について、容認できないとは変形は、フィルタ要素の寿命あるいは効率を著しく減少させる変形と理解されるべきである。
上記の接触表面をもたらす適切な構造は、この分野においては周知な、半径方向リブ、リング、多孔板等から選択することができる。
【００６１】
本発明の他の好ましい実施例においては、中央の透過管内の浸透物がＡＴＤを通過することができないようにＡＴＤが設計されるが、その代わりにＡＴＤには浸透流出口（３２）が設けられる。このようにして、中央の透過管は、それぞれ一つのＡＴＤから他のＡＴＤに延びるとともにそれぞれ別個の流出口が設けられた複数の部分に分割される。浸透流出口のそれぞれに適切な抵抗圧を与えることにより、正味の駆動圧力、すなわち、濾過要素の流入口と濾過要素の浸透流出口との間の圧力差であって、螺旋状に巻回された濾過要素のそれぞれの分離膜を横切る圧力を調整することが可能である。このことは、或る螺旋状に巻回された濾過要素を含む濾過ユニットにとっては、正味の駆動圧力が螺旋状に巻回された濾過要素のそれぞれを横切る圧力と本質的に同一となることを確実なものとするために、特に有利である。各ＡＴＤに浸透流出口を設けることができるし、あるいは図１１に示したように、２つ目毎のＡＴＤの各端部に浸透流出口を設けることもできる。
【００６２】
ＡＴＤのための適切な寸法および材料を選択することは、当業者の技術の範囲である。
【００６３】
一つの実施例において、ＡＴＤは流量制限器を備えるが、この流量制限器は、その後に続くフィルタ要素に流入する流体は当該流量制限器を通過しなければならないが、その後に続くフィルタ要素と圧力容器との間のスロット内には当該流量制限器を通過することなしに自由に流入することができることを確実なものとするようにＡＴＤに接続される。
【００６４】
この流量制限器は、フィルタ要素に沿った全ての位置において、スロット内の圧力がフィルタ要素内部の圧力よりも高いことを確実なものとする。
【００６５】
本発明において、フィルタ要素は、濃縮物がフィルタ部分と円筒圧力容器との間の隙間から螺旋を描きつつ接線方向に濃縮スペーサ内へ入ることができるように作られることが好ましい。
【００６６】
このことは、図９に模式的に示したように、スロット（隙間）内の流体がフィルタ要素内に流入することを確実なものとする。
【００６７】
フィルタに接線方向に入る液体の流れは、流体の動きがないよどんだ地帯が圧力容器内に存在しないことを確実なものとするような循環流をスロット内に導入する。さらにこの循環流れは、高い衛生基準が要求される工業分野における使用には不可避である、スロット内に沈澱物が形成されないことを確実なものとする。
【００６８】
流体が接線方向においてフィルタに入ることができるようにする一つの好ましい方法は、膜が濃縮スペーサを越えて突出しないようにフィルタ要素を設計することである。より好ましくは、濃縮スペーサが分離膜に対して突出する（図９）。
【００６９】
本発明による方法は広範囲にわたって軸線方向ずれの問題を取り除くから、この方法は、主として使用する膜および限外濾過膜により処理する製品の特性によって決定される条件下において実施することができる。
【００７０】
しかしながら、この方法は、０．５〜５バール／ｍの範囲の圧力差および１〜１００℃の温度下において実施することが好ましい。
【００７１】
本発明による方法は、原則として、水溶液を濃縮しあるいは分別するために限外濾過を用いるあらゆる工業分野において用いることができる。特にこの方法は、乳製品工業、医薬品工業およびバイオ技術工業において実施される。
【００７２】
１つの好ましい実施例においては、水性媒体中の蛋白質を含む物質を濃縮するために本発明による方法が用いられる。特に好ましい水性媒体は牛乳あるいは乳清である。
【実施例】
【００７３】
図１２による構成を濾過のために用いた。寸法および流れは以下に表に示したとおりである。この表における用語は、図１２に示したとおりである。
【表１】
2005512800.tif 000003
【００７４】
この表において、表現Ａ(ｒ1、ｒ2）は、ｒ1とｒ2との間の面積を意味することが意図されている。同様に、表現ｖ(ｒ1、ｒ2）は、ｒ1とｒ2との間を通過する流れの速度を意味することが意図されている。
【００７５】
他の表現もまた同様に理解されるべきである。
【００７６】
全てのテストされた実施例において、フィルタ要素のあらゆる望まれない巻戻しあるいは軸線方向ずれなしに濾過が実行された。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】螺旋状に巻回された３つのフィルタ要素（１）、円筒形圧力容器（２）、流入口（４）、濃縮物（５）のための流出口、浸透物のための流出口（７）、流入口ＡＴＤ  （９）、２つの中間ＡＴＤ  （８）および流出口ＡＴＤ  （１０）を備えた限外濾過器の模式的な説明図。
【図２】典型的な先行技術の限外濾過器の圧力特性を示す線図であり、Ｐｉは入口圧、Ｐｏは出口圧、Ｘは螺旋状に巻回された圧力要素の始点からの距離。
【図３】本発明による螺旋状に巻回されたモジュール内の圧力特性を示す線図。
【図４】螺旋状に巻回された要素の入口端の前に挿入された流量制限器を有する、螺旋状に巻回されたモジュール内の圧力特性を示す線図。
【図５】中央浸透管（図示せず）と圧力容器（２）との間の断面を示す、本発明によるＡＴＤの一実施例の断面図。リング（１２）は、圧力容器を密封するリップシール（１３）と、その後に続く螺旋状に巻回された要素と圧力容器との間の隙間内に供給／濃縮物が入るようにする開口（１４）とを有したフィルタの外側部分における流れをシールしている。
【図６】流量制限器（１５）と、それに続くフィルタ要素の外側部分に当接して流量制限器（１５）と開口（１４）との間を密封するリング（１６）とがさらに設けられた、本発明によるＡＴＤの他の実施例を示す図。
【図７】本発明によるＡＴＤによって互いに分離された、流量制限器が設けられる螺旋状に巻回された３つのフィルタ要素を備えるフィルタに沿った圧力特性を模式的に示す図。
【図８】図７に示したものと同様なフィルタ内における濃縮物の流れを示す図。
【図９】螺旋状に巻回されたフィルタの断面図であり、（２１）は圧力容器、（２２）はフィルタと圧力容器との間の隙間、（２３）はフィルタ要素を囲んでいる浸透性組織、（２４）は濃縮スペーサ、（２５）はフィルタ膜、および矢印（２７〜２８）は螺旋状に巻回された濃縮スペーサ（２４）内へと接線方向に入る液体の流れを示している。
【図１０】図１０は、本発明によるＡＴＤの実施例を示す図である。ここで、要素の中心からの距離が増加するに連れて流れ抵抗が増加するように、先行する螺旋状に巻回された要素からの吐出を受け入れる区画（３０）が形成されており、かつ要素の中心からの距離が増加するに連れて流れ抵抗が減少するように、その後に続く要素への流入口がそこから形成されるような区画（３１）が形成されている。
【図１１】本発明による他の実施例のＡＴＤによって互いに分離された４つの螺旋状に巻回された濾過要素を備える濾過ユニットを、ユニット内部の流れの表示と共に示す図。この実施例においては、中央の浸透管内の浸透物はＡＴＤを通過することができず、２つ目毎のＡＴＤに設けられている浸透流出口（３２）によって引き出される。流出口に適切な逆圧を与えることにより、各濾過要素の正味の駆動圧力を調整することができる。
【図１２】実施例において用いられる濾過ユニットを模式的に示す断面図。
【図１】
2005512800.tif 000004
【図２】
2005512800.tif 000005
【図３】
2005512800.tif 000006
【図４】
2005512800.tif 000007
【図５】
2005512800.tif 000008
【図６】
2005512800.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005512800.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年12月22日(2003.12.22)
【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】
１つないし複数のフィルタ要素を圧力容器内に備え、各フィルタ要素のためにその上流および下流にそれぞれ軸線方向ずれ防止装置（ＡＴＤ）が配置されている限外濾過のためのフィルタ組立体であって、
前記フィルタ要素は１つないし複数の膜を有し、それぞれの膜は、その両側が分離膜によって覆われた中央浸透スペーサを具備するとともに、１つの縁部が浸透管に接続され他の３つの縁部が塞がれており、濃縮スペーサと共に中央浸透管の周りに巻回されて、流体が、前記巻回されたフィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間から前記巻回されたフィルタ要素内へと、前記フィルタ要素の断面に対して接線方向に流入するようにして、前記膜と前記濃縮スペーサとが前記巻回された要素の内部において交互に存在するように構成され、
前記巻回されたフィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間内への流入は自由であるが前記隙間からの流出は制限されていて、当該隙間からそれぞれの巻回されたフィルタ要素の後方の隙間へは流れが許容されずあるいは限られた流れのみが許容されているフィルタ組立体において、
前記巻回されたフィルタ要素に、当該フィルタ要素のリテンテート通路内の圧力が、当該要素の長さ全体にわたって、前記フィルタ要素と圧力容器との間の隙間内の同じ長手方向位置における圧力以下であることを確実なものとする手段が設けられていることを特徴とするフィルタ組立体。
【請求項２】
前記ＡＴＤは、前記螺旋状に巻回された膜要素の半径より短い距離をｄとしたときに、前記中央浸透管からの距離が前記ｄの値より長い距離において前記巻回されたフィルタ要素の出口側に当接して、流体が前記フィルタ要素から流出することを防止するリングを有して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ装置。
【請求項３】
前記フィルタ要素の前記流入口における圧力が、前記フィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間内の同じ長手方向位置における圧力以下であることを確実なものとする手段が、前記螺旋状に巻回されたフィルタ要素の流入口に配置された流量制限器であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ組立体。
【請求項４】
前記流量制限器が前記ＡＴＤと一体に作られていることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ組立体。
【請求項５】
前記濃縮スペーサが分離膜から突出していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載したフィルタ組立体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載したフィルタ組立体を用いて限外濾過する方法であって、
前記フィルタ要素に沿った任意の位置の断面において、前記フィルタ要素と前記圧力容器との間の隙間内の圧力が前記フィルタ要素の内部の圧力より少なくとも０．０１バール高いことを特徴とする方法。
【請求項７】
フィルタ要素の流入口と流出口との間の圧力差が０．５〜５バール／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
フィルタ要素の流入口と流出口との間の圧力差が１〜３バール／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
濾過される流体が水溶液であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
処理される流体が牛乳、乳清ないし発酵ブロスであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１乃至５のいずれかに記載したフィルタ装置に用いるための軸線方向ずれを防止する装置（ＡＴＤ）であって、
近位側の前記フィルタ要素と圧力容器との間の隙間から流体が流出できずないしは限られた範囲でしか流出できないことを確実なものとするための手段と、
遠位側の前記フィルタ要素と圧力容器との間の隙間内への濃縮物の自由な流れを確実なものとするための手段と、
前記遠位側のフィルタ要素の流入口における圧力が、対応位置における前記フィルタ要素と圧力容器との間の隙間内の圧力より低いことを確実なものとするために、螺旋状に巻回された前記遠位側のフィルタ要素の流入口への濃縮物の流れを制限するための手段と、
を備えることを特徴とする装置。
【国際調査報告】
2005512800.tif 000016
2005512800.tif 000017