(57)【要約】  生物学的に得られた供給ストリームの処理システム及び連続的脱イオンの方法は、処理ラインに沿ったステージ中に配置された複数の電気透析ユニット（３、９、１０、１１、１２、１３）を含み、ステージを、供給ストリームが次のステージに入る前に特定の品質が得られるように制御する。供給及び濃縮ストリームはラインに沿って概ね反対の向きに移動し、希釈流体及び濃縮流体セルの流体の特性をマッチングさせる。処理ラインは２つの以上のステージを有する。システムは位相化されたステージ化運転を有することができ、セル構成は、電気透析ユニットを困難なプロセス流体の処理を向上させるために適合させることができる。コントローラは異なる電気的ステージにおける運転電位を設定し、簡単な制御パラメータによって、流体が分極することなくイオン除去及び電流効率が最適化される。本発明は、逆転運転の位相化されたステージ化及び処理セルを向上した処理に適合させるセル構成又は充填物も含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体のフローの成分の脱塩、苦味除去、塩除去又は他の分離若しくは処理などの連続処理を実施するための流体処理ラインであって、
複数の電気透析処理ユニットであって、処理する供給流体の供給フローを受け入れ、処理ユニット中における処理の間に供給フローから除去された材料を受け入れる濃縮流体のフローを受け入れるように連結するために構成されており、各処理ユニットが、材料を供給流体のフローから濃縮流体のフロー中にイオン的に移動させるために電気的に連結することができる処理ユニットと、
供給流体が処理ラインの第１のステージから逐次的に１以上の後続のステージへ進み、濃縮流体が後続のステージから１以上の先行ステージへ逆の向きに進むように、ステージ中の処理ユニットを処理ラインに沿って相互連結する複数の流体連通部と
を含み、
前記ステージにおける供給流体と濃縮流体の特性を有効にマッチングさせて処理された生成物の製造のための供給流体の処理を増進させる処理ライン。
【請求項２】
相互連結部が、処理ユニット中の処理ラインに沿った供給フローと濃縮フローの導電率のマッチングを増進させるのに有効な供給フローに対向する方向に沿って受け入れ流体のフローを発生させ、それによってユニット中における電気的運転条件の安定化を確実にする、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項３】
相互連結部が、供給流体からの成分の取り出し又は成分の供給流体中への逆拡散を増進させるのに有効な受け入れ流体のカウンターフローを発生する、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項４】
相互連結部が、処理ユニットの膜を通る供給流体からの成分（小分子など）の拡散損失を阻止するのに有効な受け入れ流体のカウンターフローを発生する、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項５】
処理ユニットがＥＤＩユニットを含む、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項６】
処理ユニットがＥＤユニットを含む、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項７】
処理ユニットが１以上のＥＤユニット及び１以上のＥＤＩユニットを含む、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項８】
ＥＤユニットの少なくともいくつかが、ＥＤＩユニットの少なくともいくつかとは異なるステージにあり、処理ライン中のＥＤＩユニットの上流に位置している、請求項７記載の流体処理ライン。
【請求項９】
処理ユニットが、処理ラインに沿った供給流体の品質とフローを同時に増進させるのに有効な異なる電位で印加された複数の電気的ステージに配置される、請求項１又は請求項２記載の流体処理ライン。
【請求項１０】
相互連結部が、フローを制御してユニットの少なくともいくつかの逆転運転を実行するよう運転できる１以上の弁を含む、請求項１又は請求項９記載の流体処理ライン。
【請求項１１】
相互連結部が、共通供給導管と、供給流体を循環させて共通供給導管からステージへ送り、供給流体が処理ラインに沿って移動するにしたがって導管に戻すように動作する１以上のポンプとを含む、請求項１、請求項９又は請求項１０記載の流体処理ライン。
【請求項１２】
濃縮フローが処理ラインに沿って対向方向に進むにしたがって、相互連結部が、濃縮流体を循環させて共通導管からステージのユニットを通って導管に戻すように動作する１以上のポンプを含む、請求項１又は請求項９記載の流体処理ライン。
【請求項１３】
処理ラインが、供給フローの品質を検出するように動作する１以上のセンサーと、それに応答する弁又はポンプを制御するように動作するコントローラとを含む、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項１４】
濃縮流体の特性を感知するように動作する検出器と、処理ラインの運転を制御するためにそれに応答するコントローラとを更に含む、請求項１又は請求項１３記載の流体処理ライン。
【請求項１５】
生成物品質を維持しながら生成物回収率を増大させるために、ユニットの少なくともいくつかの逆転運転の間にユニットと供給流体ラインとの間の流体連通の位相化交換を行うように動作するコントローラを更に含む、請求項１０記載の流体処理ライン。
【請求項１６】
コントローラが、逆転フェーズの間にセルの洗浄を行って蓄積した材料をユニットからフラッシュする、請求項１、請求項１０又は請求項１５記載の流体処理ライン。
【請求項１７】
洗浄が、ユニット中の樹脂表面から生物汚染物質を除去するのに有効な濃縮塩洗浄を含む、請求項１６記載の流体処理ライン。
【請求項１８】
共通濃縮流体ラインを含み、ユニットの少なくともいくつかが逆転ユニットであり、相互連結部が、逆転ユニットの希釈フローと濃縮フローを交換するように動作する複数の逆転弁を含み、コントローラがユニットの逆転運転を選択的に実施して、蓄積された汚染物質をユニットのセルから、例えば共通濃縮流体ラインへバックフラッシュする洗浄レジメンを実施する、請求項１記載の流体処理ライン。
【請求項１９】
洗浄レジメンが、１．０Ｎを超える塩溶液で運転して表面を洗浄し、ユニットのセルを通るフローを回復させる、請求項１８記載の流体処理ライン。
【請求項２０】
洗浄レジメンが、液圧逆転の間に極端な１以上のｐＨ値で適宜ユニットを通して塩溶液を再循環させるステップを含む、請求項１８記載の流体処理ライン。
【請求項２１】
洗浄レジメンが、逆転の間に流体を再循環させて表面フィルムを破壊し除去するステップと、除去されたフィルムを共通濃縮流体ライン又は排出系へフラッシングするステップとを含む、請求項１８記載の流体処理ライン。
【請求項２２】
生物学的供給ストリームを処理する方法であって、
供給流体を、電気透析ユニットを通して通過させることによって供給流体を処理してその成分を除去するステップを含み、
電気透析ユニットが充填セル電気透析（ＥＤＩ）ユニットのステージを含み、
方法が、ユニットの１以上の通常運転によって供給流体の第１の成分を除去して第１の成分を濃縮ストリーム中に移動させ、同時に交換樹脂中又はその上で第２の成分を捕捉し、
１以上のユニットの運転の逆転モード又は洗浄モードの間に第２の成分を放出又はバックフラッシュするために実施される方法。
【請求項２３】
ＥＤＩユニットがセルを有し、セルの上流端の第１の交換樹脂充填物とセルの下流部分の第２の樹脂充填物とを備え、
第１の充填物と第２の充填物が異なっており、
第１の充填物が、汚れ除去、酸性化等によって第２の充填物に先行してフローを調整する、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
厚肉セルの貯蔵及び放出ＥＤＩ逆転ユニットによって実施する、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
処理される供給フローと濃縮フローをそれぞれが受け入れるようにステージ中に配置された複数の電気透析ユニットを含む処理システムであって、
１以上のステージが、１以上の充填セル電気透析（ＥＤＩ）ユニットを含み、供給フローが、濃縮フローの順序とは逆にステージを通って進む処理システム。
【請求項２６】
ユニット中における供給フローと濃縮フローの特性のバランスをとるように配置された、請求項２５記載の処理システム。
【請求項２７】
特性が、導電性又は電気抵抗性、流体圧力及び流体成分の濃度の特性のうちの１以上を含む、請求項２６記載の処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善された電気透析（ＥＤ）装置に関し、より具体的には、かかる装置を大容積の液体を処理するために使用するシステム及びプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、本明細書及びその添付の特許請求の範囲で用いる電気透析即ちＥＤという用語は、文脈での別段の示すところがない限り総称的なものと理解すべきであり、流体を脱塩するか又は流体から成分を除去するためのデバイスであって、デバイスユニットが、イオン交換膜のセット間に画定される互いに交替する希釈流体セル及び濃縮流体セルを有するデバイスを指すものとする。これらのデバイスは、その成分を、濃縮セル中に存在する別の流体中に移動させることによって希釈流体セルを通過する流体を処理する。したがって、この用語には、未充填の膜間スペース又はセルを有する様々な形態の電気透析が含まれる。即ち、古典的な電気透析（ＥＤ）、電気透析逆転（ＥＤＲ）を含むものとし、充填セル電気透析（最近、一般に電気脱イオン化即ちＥＤＩ、連続電気脱イオン化即ちＣＤＩと称される）及び充填セル逆転方式電気透析（ＥＤＩＲ）も含むものとする。これらのうち、未充填ＥＤは歴史的に早い時期に広範な商業的用途を得ており、乳製品製造、果汁及び植物シロップ処理の用途などの複数の大規模な工業的処理用途において、ＥＤとＥＤＲの両方の変更型は、電気媒介の膜をベースとしたイオン交換プロセスの中の依然として主要な処理モダリティである。希釈セル中の交換樹脂の充填物を連続的に再生するために固有の水の分解（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）に依存するＥＤＩ及びＥＤＩＲは用途がより限られており、最も顕著には、フィードストックのためのいくつかの確立された予備処理レジメンのいずれかによって、汚染やスケーリングへのその感受性を制御できる水の精製の分野において用途が限られている。
【０００３】
アニオン選択性及びカチオン選択性膜を数多く交替させることで画定される未充填セルを有する電気透析装置は、歴史的にはK. Meyer and W. Strauss、1940(Helv. Chim. Acta 23(1940)795-800)に明らかに最初に記載された。この初期のＥＤ装置で使用された膜はイオン選択性が劣っていた。イオン交換（「ＩＸ」）膜、特に、高いイオン選択透過性、低い電気抵抗及び優れた安定性を有する合成ポリマー膜（例えば米国再発行特許ＲＥ２４８６５に記載の）の発見によって、かかる膜（例えば米国特許第２６３６８５２号に記載の）を用いたＥＤシステムの発明や、例えば汽水を脱塩し、海水を濃縮し、乳清を脱灰し、加工でんぷん若しくは砂糖ストリームを濃縮するか又は処理し、或いはより一般的には、水性ストリーム及び石油精製、発酵又は農業系流体を処理するためにかかる装置を利用する産業の急速な成長がもたらされた。過去４０年間で、世界で約５０００のＥＤプラントが設置されてきた。
【０００４】
しかし、電気透析の有用性は、充填型及び未充填型の両方とも、技術的な要因、特にその限界電流密度が相対的に低いこと及びイオン化が十分でない物質を除去する能力が限られていることから、依然としてある程度限られたままである。従来技術のＥＤシステムのこれらの限界と欠陥を以下に更に考察する。
【０００５】
Ａ．限界電流密度：
ＥＤで使用されるＩＸ樹脂及び膜は、正負の一方又は他方の符号のイオンに対して非常に選択性がある。膜を通過するイオンの大部分は、膜と、イオンが減損している（溶液又はストリームを「希釈する（ｄｉｌｕｔｅ）」若しくは「希釈している（ｄｉｌｕｔｉｎｇ）」とは、当技術分野で周知の通りである）近傍の溶液との間の界面に沿って発生する薄い層流フロー層を横切って周囲溶液から拡散することによって、膜壁に到達しなければならない。希釈溶液を通るイオンの最大拡散速度はかかる膜界面での電解質の濃度が本質的にゼロの場合にもたらされる。かかる膜界面でのゼロ濃度に対応する電流密度を、当技術分野では限界電流密度と称している。限界電流密度を増大させるためには、イオン拡散速度を増大させる必要がある。これは、層流フロー層の厚さを薄くすることによって達成することができる。例えば、流体のいくつかの動的パラメータを変更させるか、周囲溶液がより速く膜表面を通って流れるようにするか、且つ／又は乱流を促進させるものを用いるか、且つ／又は流体の温度を上昇させることによって達成することができる。後者のアプローチは、その粘度（したがって層流層の挙動）の温度依存性が非常に高くてよい植物（例えば植物性）シロップに特に有用であるが、その交換機能を損なうことなくより高温に耐えるイオン交換樹脂の能力に限界があるため、これは更に限られたものとなる。実際的な限界電流密度は一般に、各溶液立方メートル当たりのキログラム当量の塩について５０００〜１００００アンペア／ｍ２（例えば、各溶液リットル当たりのグラム当量の塩について０．５〜１アンペア／ｃｍ２）である。通常の汽水は約０．０５ｋｇ当量／ｍ３（例えば、約０．０５当量／ｌ又は約３０００パーツパーミリオン（「ｐｐｍ」））の塩濃度を有しており、したがって、約２５０〜５００アンペア／ｍ２（０．０２５〜０．０５アンペア／ｃｍ２）の限界電流密度を有している。多くの食品工業用途で、塩濃度を加工要件に適合するように改変することができる。しかしいずれにしろ、最終ステップ又は生成物処理のステップで塩濃度を非常に低くすることになるので、加えた塩を後続のステップでしばしば除去しなければならない。
【０００６】
他の要素は同等であるので、ＥＤ装置の稼働率を最大化するためには、可能な最も高い電流密度で運転することが望ましい。しかし、限界電流密度に近づくにしたがって、（従来の）アニオン交換「ＡＸ」）膜と希釈ストリームとの間の界面で水が水素イオンと水酸化物イオンに解離する（即ち「分解する」）ことが分かっている。水素イオンは希釈ストリーム中に進み、同時に、水酸化物イオンは、ＡＸ膜を通ってそれによってイオンは濃縮される別個の溶液ストリームを輸送する近接した濃縮流体チャンネル（「濃縮」、「濃縮された」、「濃縮している」又は「ブライン」溶液又はストリームとは、当技術分野で周知の通りである）中に進む。汽水は、高いｐＨで沈澱する重炭酸カルシウムなどの多価金属化合物をしばしば含有することがあるので、濃縮ストリームと接しているＡＸ膜のその表面で炭酸カルシウムが沈澱する傾向もある。したがって、高い限界電流密度で運転することよって膜スケーリングの増加がもたらされる結果となる。
【０００７】
この問題は多くの技術、例えば、供給水又は濃縮ストリームの化学的軟化又はイオン交換（ＩＸ）軟化；脱炭酸；供給水又は濃縮ストリームへの酸又は清かん剤の添加（脱炭酸を伴うか又は伴わないで）；ナノ濾過（「ＮＦ」）；同じ場所でスケーリングイオンとスケーリング条件が同時に存在するのを回避するような希釈流体及び濃縮流体の経路の配置；様々な洗浄サイクル；並びに電流の進行方向を定期的に逆転させて、濃縮ストリームを希釈ストリーム（また希釈ストリームを濃縮ストリームに）に変えて不可逆的な沈着が起こる前にスケーリング化学種を駆逐することによって対処されてきた。他のアプローチについては、例えば、米国特許第２８６３８１３号及び同４３８１２３２号を参照されたい。
【０００８】
上記技術のうち、一般的な汎用性のある１つの有用な方法は、最後に言及した方法即ち電流を逆転させる方法である。これは当技術分野で「電気透析逆転」（「ＥＤＲ」）と称される。
【０００９】
ＥＤにおける限界電流の理論によれば、例えば塩化ナトリウム溶液の場合、カチオン交換（「ＣＸ」）膜はアニオン交換（「ＡＸ」）膜の約２／３の値の限界電流密度値に到達しなければならないことが分かる。注意深く測定すると、確かにその通りであることが分かる。しかし、（従来の）ＣＸ膜の限界電流密度に近接するか又はそれを超えると、水は、そのようなＣＸ膜と希釈ストリームとの間の界面で水酸化物イオンと水素イオンに分解しないことが分かっている。それぞれの限界電流における（従来の）ＡＸ及びＣＸ膜の水分解現象に対するこの挙動の差は、最近になって、ＡＸ膜中の弱塩基性アミンによる水分解の触媒作用に起因すると説明されている。四級アンモニウムアニオン交換基だけしか有していない（弱塩基性基が存在しない）ＡＸ膜は、その限界電流に近接しても、最初はそれほど水を分解しない。しかし、かかる良好な挙動は数時間だけしか持続せず、その後、水分解が開始され、それは時間とともに増大する。次いで、ＡＸ膜は、四級アンモニウム基の加水分解によってもたらされるいくらかの弱塩基性基を含有することが分かっている。従来のＡＸ膜における、その限界電流密度又はその近傍での水の分解は、実用的な目的のためには避けられない不都合な現象であると結論づけられている。
【００１０】
ＥＤにおける限界電流の存在は、希釈溶液において限界電流密度が相対的に非常に低いことも意味する。例えば、約０．００５ｋｇ当量／ｍ３（即ち約０．００５ｇ当量／ｌ又は約３００ｐｐｍ、飲料水において一般的な濃度）の塩の濃度では、限界電流密度は約２５〜５０アンペア／ｍ２（０．００２５〜０．００５アンペア／ｃｍ２）である。即ち、単位面積当たりで単位時間当たりの塩の移動は非常に低い（例えば、５０〜１００ｇ塩／時間／ｍ２）。この問題は、W. Walters et al.、1955(Ind. Eng. Chem. 47(1955)61-67)によって始めてＥＤスタック（即ち、一連のＡＸ膜とＣＸ膜で画定される複数のフローセルとして構成されたＥＤ装置）中の希釈ストリーム区画を、強塩基と強酸のイオン交換（ＩＸ）顆粒の混合物で充填することにより検討されたようである。顆粒又は「ビーズ」は、希釈流体セル中の有効イオン交換表面積を著しく増大させ、良好な膜間の導電性を提供し、フロー内にわたってイオン導通経路を提供し、それによってより短い経路の間で且つ／又はより高いフロー速度での高度の脱塩が実現され得る。更に、かかる多種多様のビーズ、並びに他の導電性、吸収性、交換若しくは他の処理特性を有する材料を、希釈セルに使用することができる。１９５５年以来この技術について多くの特許が出願されている。その中には米国特許第３１４９０６１号、同３２９１７１３号、同４６３２７４５号、同５０２６４６５号、同５０６６３７５号、同５１２０４１６号及び同５２０３９７６号がある。上記特許を参照により本明細書に組み込む。
【００１１】
かかる充填セルＥＤ（即ち電気脱イオン化又はＥＤＩ）を用いた２つの運転モードが特定されている。第１のモードでは、交換（ＩＸ）ビーズは膜表面積を拡大するものとして働き、それによって限界電流密度が著しく増大する。第２のモードでは、ＩＸ材料が存在していても限界電流密度よりずっと高い電流密度が適用される。この環境下では、膜−希釈ストリーム界面での水分解の速度は非常に高く、その場合ＩＸ顆粒は例えば、大部分それぞれ強塩基及び強酸の形態であってよい。したがって、このモードの装置は、連続的に電解によって再生される（混合床）イオン交換として運転するとすれば、最もよく説明される。中間的なモードも特定することができる。そこでは、水分解はある程度起こるが、ＩＸ顆粒が大部分それぞれの塩基及び酸の形態であるということはない。
【００１２】
ほとんどの充填セルＥＤ（即ちＥＤＩ）システムは両方のモードで運転する。このモードは、例えば、（１）セルへの入口付近では第１のモードで、出口付近では第２のモードで運転する同一ＥＤセル内において、（２）電極の単一対の間のフローシリーズに配置された異なるセルにおいて、又は、（３）フローシリーズの別個のスタックのセル（しかし、各スタックはそこでそれ自体の電極対を有する）において運転することができる。かかる異なる運転は、フロー経路に沿って移動する電解質が失われるのにしたがって流体の導電性が変化することによるか、又は、この効果が実現されるように交換材料、セル形状及び運転パラメータを意識的に調節することによってもたらされる。
【００１３】
ＥＤＩの経済性と除去能力は極めて良好であり、これらのシステムは、逆浸透システム又は従来の化学的再生ＩＸシステムを置き換えるため、例えば塩基性ＡＸカラムが後続する酸性ＣＸカラム、又は少なくとも部分的に混合した床ＩＸカラムを置き換えるために使用される。連続電気再生ＥＤＩユニットを１立方フィート（２８．３ｌ）未満の交換樹脂で充填することができる。これは、その大きさでイオン交換床数回分置き換え、定期的な樹脂床再生のコストを実質的に削減する。しかし、イオン交換床とＥＤＩシステムはその操作上の要件が同等ではなく、それぞれがそれ自体の特徴を有している。イオン交換床（又はボトル）を使用する場合、ＣＸ及びＡＸの顆粒は、例えば硫酸又は塩酸の酸性水溶液及び水酸化ナトリウムの塩基性水溶液をそれぞれ用いて、互いに別々に定期的に化学再生される。そのため、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム及び水酸化マグネシウムの沈殿は生じない。イオン交換ビーズカラムを使用する場合、微細顆粒のカラムはまたコロイド状物質のための有効なフィルターでもあり、定期的化学再生の際に、捕捉された材料を顆粒から洗い落とすことができる。
【００１４】
これに対して、ＥＤＩの場合、希釈ストリームから除去されたどのカルシウム又は多価金属、重炭酸塩及び／又は硫酸塩も、特に希釈ストリームがより高く回収されるようにシステムを運転させる場合、濃縮ストリーム中においてより高い濃度となる可能性がある（これは、希釈ストリームを目的生成物とした場合、特にそれが高価な生成物である場合一般的なことである）。これらの化学種が高濃度になることによって、濃縮ストリーム中で沈澱を起こす結果となることがある。更に、ＥＤＩ装置のＩＸ顆粒を逆洗浄することは技術的には可能ではあるが、その中に交換ビーズが充填されているフローセルが限られた大きさであること、及び多くの小さなポート構造物及びビーズトラップのために、逆洗浄は通常技術的に困難であるか又は全く非効率的である。これらの要因のすべてが、充填セル中に蓄積するか又はその中に捕捉される可能性のある任意のコロイド状物質を除去する上での問題となっている。
【００１５】
多くの用途のためには、ＥＤＩに伴うこれらの問題は、供給流体それ自体のための適切な予備処理プロセスを提供することによって対処することができる。例えば、（１）軟化用の再生可能なカチオン交換、続くコロイド除去用及び／又は重炭酸塩除去用の再生可能なアニオン交換吸収剤、（２）コロイド除去用の限外濾過又は精密濾過、続く軟化用のＥＤＲ及び部分脱塩、或いは（３）コロイド除去用の限外濾過又は精密濾過、続く軟化用のナノ濾過又は軟化用の逆浸透及び部分脱塩である。
【００１６】
しかし、食品工業での用途ではかかる問題はより複雑である。食品用シロップは本質的により汚れ（ｆｏｕｌｉｎｇ）易く、タンパク質固体の流体又は沈殿の苦味除去、脱酸性化などの用途のためのＥＤ及びその変形型の有効な使用には、極めてよく制御されたプロセス条件が必要となる。食物（ａｌｉｍｅｎｔａｒｙ）プロセス流体のタンパク質及び他の成分は、ＥＤＩスタック内を支配する電気化学的条件に敏感であり、潜在的に汚染性である（特にアニオン樹脂の場合）。また、食品プロセスの粘度及び温度の要件も、ＥＤＩ又はＥＤＩユニットにおいて実際の実現可能なフロー及び処理の条件に影響を及ぼすことになる。しかし、樹脂工業及び膜工業では、イオン交換床及びＥＤが処理市場の９０％を超える依然として高い普及率を占めている食品工業用に適合した交換樹脂を、数百とまではいわないが数十成功させている。したがって、強交換樹脂及び弱交換樹脂、ゲル、マクロレティキュラービーズ基体又は多孔性ビーズ基体、高温用スペシャルティ樹脂、吸着剤並びに流体処理用の他の媒体の中の各製品用の確立済みの樹脂の範囲が、充填セルＥＤＩ用途に適用されそれを改善するための既製の基礎的要素の範囲を提供する。
【００１７】
Ｂ．十分にイオン化されていない物質の除去：
ＥＤ（ＥＤＲを含む）は食物用途に多くの食品工業プラントで用いられており、かかる用途範囲は拡大しており、圧倒的な乳清加工用途から、果汁、加工でんぷん又は砂糖シロップの加工及び穀物スラリー、副生成物や部分加工食品生成物ストリームの分離又は精製、並びに発酵製品及び特殊化学製品（後者の分野の例は、例えば発酵プロセスからのＬ−乳酸などの副生成物）へ拡張されてきている。これらのＥＤ処理は予想外の効率を可能にすることができる。例えば、安定した培養条件を維持するための、前のステージへの濃縮塩の戻し、通常の濾過ステージを通過した「生物学的」生成物の回収、排出系ストリームからの規制成分の除去、或いは収率を増大させ、廃棄物又は廃棄処理経費を低減させるか又はＥＤ分離プロセスに価値を付加する他の利点などのである。
【００１８】
しかし、食物プロセス用途には特別の問題が生じる。処理された流体は、タンパク質又は他の成分を含んでおり、粘性で複雑なものである。例えば、チーズ乳清を脱灰（「甘味化」又は「苦味除去」）するためのＥＤの使用を考える場合、通常天然乳清をまず固形分２０重量％〜２５重量％まで濃縮する。かかる濃縮乳清のＥＤ（又はＥＤＲ）の間、電流密度（即ち、膜の単位面積、単位時間当たりの灰分の除去速度）は、灰分の約５０〜６０％が除去されるまで比較的高く保持される。残留灰分は、十分にイオン化されていないような挙動をする。これは多分、より低濃度で会合若しくは錯塩化しているか、又は乳清中のタンパク質でｐＨがシフトしているためである。脱灰した乳清の主な市場では９０％以上の脱灰率を必要とする。ＥＤを用いて約４０％灰分から１０％灰分レベルまで脱灰するためには、１００％から４０％への灰分への脱灰より長い装置接触時間を必要とする。この問題は、後段の約４０％から１０％への灰分ステージの脱灰の際に、概ね連続的に酸を乳清に加えることによって対処することができる。この酸によってタンパク質から灰分が明らかに取り除かれる。しかし、加えられた酸はそれ自体電気透析によって急速に除去され、特定の運転非効率性をもたらし酸の増量を必要とする。したがって、この方法を遂行するために、望ましくないほど多量の酸が必要となる。この問題は、乳清灰分の最初の凡そ６０％を電気透析で除去し、イオン交換などの別の方法を施して残る４０％の大部分を除去することによっても対処されてきた。そのためには一般に、弱塩基ＡＸビーズのカラムが後続する、強酸ＣＸビーズのカラムを使用する。しかし、交換ビーズを再生させるために次に相当な量の酸と塩基が必要となり、これは直接経費と環境経費の両方をもたらすことになる。この問題に対処するために、酸を発生するように運転する二極性膜を備えたセルを有する、特殊化したＥＤ又は他の処理ユニットの使用も提案されている。しかし、比較的広範囲の濃度とかなり複雑な相互作用を伴うので、所与の食物流体プロセスの性能と経済性を改善する一連のプロセスと運転ポイントを特定するための長期的な研究への取り組みが必要である。
【特許文献１】米国再発行特許第２４８６５号明細書
【特許文献２】米国特許第２６３６８５２号明細書
【特許文献３】米国特許第２８６３８１３号明細書
【特許文献４】米国特許第４３８１２３２号明細書
【特許文献５】米国特許第３１４９０６１号明細書
【特許文献６】米国特許第３２９１７１３号明細書
【特許文献７】米国特許第４６３２７４５号明細書
【特許文献８】米国特許第５０２６４６５号明細書
【特許文献９】米国特許第５０６６３７５号明細書
【特許文献１０】米国特許第５１２０４１６号明細書
【特許文献１１】米国特許第５２０３９７６号明細書
【非特許文献１】Ｋ．  Ｍｅｙｅｒ  ａｎｄ  Ｗ．  Ｓｔｒａｕｓｓ、１９４０（Ｈｅｌｖ．  Ｃｈｉｍ．  Ａｃｔａ  ２３（１９４０）７９５−８００）
【非特許文献２】Ｗ．  Ｗａｌｔｅｒｓ  ｅｔ  ａｌ．、１９５５（Ｉｎｄ．  Ｅｎｇ．  Ｃｈｅｍ．  ４７（１９５５）６１−６７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、食品処理又は類似のプロセス流体における従来の電気透析システムの上記の限界と欠陥の１以上を緩和することが望ましい。
【００２０】
複雑な供給ストリームを確実に処理できる電気透析システム構造を提供することが特に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の１つの態様により、乳清又は植物シロップ脱塩システムなどの食物用又は類似の流体用の処理又は脱イオン化システムによって、上記の問題又は限界の１以上に対処する。そのシステムでは、電気透析（ＥＤ）、逆転方式電気透析（ＥＤＲ）、充填セル電気透析（ＥＤＩ）及び／又は充填セル逆転方式電気透析（ＥＤＩＲ）ユニットを含む複数の電気運転型の膜分離ユニットを配置したものが運転して、供給ストリームを脱塩し、供給流体のミネラル又は他の成分を１以上の濃縮ストリーム中に移動させる。それぞれが１以上の入口及び出口を有する処理ユニットを、処理する供給流体の全体的動きの大体の方向に対応する順序で１以上のユニットをグループにして配置し、そのグループは構成された処理ラインにおいて２つ以上のステージを有するプロセスに関連したステージを形成し、それによって、１以上の濃縮ストリームが、供給流体／生成物ストリームとは実質的に逆の向き（ｓｅｎｓｅ）又は順序で、１つのステージから次のステージへ進む。したがって、供給流体は脱塩されるにつれて、前の方の濃縮ストリームのミネラル化度のより低い部分を利用しながら漸進的にユニットへ進む。この構成で、有利なことであるが、供給流体が処理されるにしたがってその導電率は低下し、同時に濃縮流体が供給流体から不純物を得るのにしたがってその導電率は上昇し、その結果、供給ストリームと濃縮ストリームのミネラル負荷及び導電率は、ストリームが処理ラインに沿って各ユニットを通過するのにしたがって、より近接して「マッチングされる」ことになる。２つの流体フローを対向する向きで配置することによって、処理ユニット中の供給流体と濃縮流体の導電率のマッチングが改善される結果となり、電気透析セル内で極端な電圧不均衡が発生することが少なくなる。また処理ユニットの膜内の濃度勾配を小さくする、ミネラル負荷のより近接したマッチングももたらし、それによって特定の成分の逆拡散を低下させる。導電率をマッチングさせることによって、分極や過剰な水分解などの悪条件が回避され、それによって、各ステージでの所望の設定ポイントへの流体処理の制御がより簡単に実現され、スケーリング又は汚れの共通的な原因が排除される。
【００２２】
本発明によって配置された複数のステージを有する処理ラインでは、異なるステージを、異なる電気的運転パラメータを用いて運転することができる。それに代えて又はそれに加えて、異なるステージに異なるタイプのＥＤユニットを使用することもできる。１つのシステムは、例えば、１つのステージに未充填ＥＤユニットを備え、後方のステージにＥＤＩユニットを備えることができる。システムの別の実施形態は、（未充填）ＥＤ処理ユニットであって、他のステージとは明らかに異なる浸透特性又は選択性を提供する膜を有する１つのステージを有するユニットだけで実施することができる。特定の供給流体のためのシステムの運転は、異なるユニットの運転を調節して設定して（例えば、各電気的ステージでのセルペア当たりの電位差を設定して）、ユニットのタイプ及びそのステージを支配する流体品質／組成によるイオン除去率及び電流効率、或いはプロセスラインに沿った負荷又は導電率を調整する。これは、一方で処理の際にしばしば生じる問題を回避しながら、全体的な運転を向上させるため、例えばプロセス効率又は処理能力を増大させるために行う。例えば、実質的に分極に達しないどこにおいても運転することができ、供給導管に沿った先行する１以上の先方のステージにおいて高い電流レベルに制御することができる。それでいて、フローマニホールドを介した電力損失を被ることはない。更に、異なるステージを、異なってはいるが変化する制御レジメンで運転させることができる。例えば、第１のＥＤステージを、ＥＤステージとＥＤＩステージとの間の遷移部に特定の品質の部分処理供給流体をもたらすように制御し、それによって、各ステージで、そうでない場合生物学的流体の電気脱イオン化システムにおいて生じる恐れのあるタンパク質系の汚れ、変性又は炭化、或いはその組合せを回避するようにすることができる。プロセスラインは他の方法で制御して処理能力を最適化することもできる。例えば、処理される流体の量を生成物品質の目標レベルを達成するのに合わせて最大化させるか、或いは、特定の成分の品質、分離又は回収に主に影響を及ぼす１つのステージの処理パラメータを変えることによって、その特定の成分の除去率又は回収率を向上させることができる。
【００２３】
本発明のシステムは、バルクフローのために、処理ラインを形成する導管又はチャンネルに沿って供給ストリームを配置することができ、ポンプ又は弁を用いて、ラインから近接ステージの処理ユニット中へ送り、また導管又はチャンネルに戻るように流体を分けるか又は循環させることができる。圧力レベル、流速、又はステージにおける総括の滞留時間若しくは処理時間に影響を及ぼす他のパラメータ、或いはステージを通って循環させる回数を変えることができ、供給及びブリード制御技術を用いてシステムを運転させて、濃縮及び希釈ストリームの所望の導電率を実現することができる。
【００２４】
一実施形態では、処理する流体を、第１の電気的ステージの希釈流体セル中に加圧下で流し、そのステージでの１回以上の液圧（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ）パスで部分脱塩する。このステージで除去された荷電化学種は、ＤＣ電場の影響下で供給流体から分離され、希釈流体セルに接するイオン浸透膜を通して、濃縮流体のフローによってそこで除去される濃縮流体セル中に移送される。希釈流体セルからの部分脱塩された流体は次のステージへ流れ、そこで、更なる脱塩のために電気的パラメータを独立に制御することができる。種々の具体的な食物用途において、その処理を、供給ストリームを目的生成物として精製するか、目的生成物若しくは副生成物又はその両方として材料を濃縮ストリーム中に抽出するために適用することができる。したがって、第１の電気的ステージを出る濃縮流体は排出系へ流すことも、所望の生成物又は副生成物を構成することも、或いは他のプロセス又は関連するプロセスで使用することもできる。上記したように、本発明の主要な態様によれば、後方のステージにおいてこの濃縮流体の導電率はすでに、供給ストリームから除去されたミネラルによって高められており、その結果比較的低い電位を第１のステージに印加し、同時に以下の運転特性の１以上、好ましくは２以上を実現することができる。即ち、
ｉ）高いイオンの流れ、したがって高いミネラル除去速度の達成、
ｉｉ）過度の分極の回避、
ｉｉｉ）濃縮ストリームマニホールドを介した電力損失の回避、及び
ｉｖ）ステージのセルにかかる安定した電位の維持、より全般的には、処理ラインの沿った全体としての運転制御の改善。
【００２５】
制御システムによって、電気的駆動パラメータ又はユニットと供給導管の間の供給フローを調節して、そのステージでの事前定義の条件又は供給流体品質を維持することができる。セルペア当たりの印加電圧は、濃縮流体マニホールドを介した電力損失を低減するか又は最小化するように設定することができる。本発明のシステムは、分極なしでステージを持続できる最も高いセルペア当たり電位差で運転する電極電位を有することができる。その電位は、希釈フローの導電率、濃縮フローの導電率及び／又はそのステージを通る流速の関数として、ユニット又はステージにおいて局所的に設定することができる。
【００２６】
したがって、所与の供給流体材料について、本発明の方法又はシステムは、最初の向きに稼動する供給導管を配置するステップと、供給導管に沿って連続したステージで配置された複数のＥＤユニットを提供し、それによって異なるステージが異なる品質の供給流体又は部分処理供給流体を処理するステップと、ステージにおいて又はシステム全体として処理が最適化されるように、異なるステージに適用された２以上の異なる運転条件を含むＥＤ運転条件の複数の設定を規定するステップとを含む。濃縮流体は供給フローと概ね逆の方向に進み、それによって、ステージ内における、マッチングし非常に安定した運転が提供される。
【００２７】
１以上のステージはＥＤＲ又はＥＤＩＲユニットを含むことができ、その場合、本発明のシステムはステージ毎に逆転運転させることが好ましい。即ち、濃縮ストリーム及び希釈ストリームとＤＣ場の逆転が、従来の仕方で、各ユニットについて又はシステム全体で同時に起こるのではなく、先行するステージの逆転からの新規の濃縮ストリーム及び希釈ストリームが次のステージの入ろうとするちょうどその時に、各電気的ステージが逆転するように変化する位相後退を用いて、処理ラインに沿って逆転を実施する。この位相後退法は、処理ラインに沿ったＥＤユニットの固有能力又は内容積に依存し、より継続的にすべての仕様に適合する製品を産出し、それによって製品の収率が増加し廃棄物が低減する。切り替えは、希釈ストリーム液体と濃縮ストリーム液体が混合するのに有利に回避するように行われ、そのため、「規格外」製品は生成せず、廃棄したり回収したりする必要がない。所望の運転は、結局、ＥＤユニットのステージにおいて位相化されたように、フロー方向を逆転させ、流体ストリームを入れ替えるための弁の漸進的即ち「ローリング」運転をさせることになる。
【００２８】
本発明のシステムは、複数の目的を達成するように配置するか又は運転させることもできる。１つは、濃縮ストリーム容積全体の低減を行うことである。濃縮ストリームが所望の生成物である場合、これはより高濃度の生成物を提供する。濃縮ストリームを排出系へ流す場合、これは生成する廃棄物の容積を最小化させる。このように運転させるために、複数の制御レジメンを適用することができる。濃縮流体の濃度は、導電率計などの検出器からの出力にしたがって、濃縮ストリームからの濃縮流体のブリードを調節し、且つ／又は濃縮ストリームへの低導電率流体の補給用供給流体を変化させる制御システムによって設定することができる。
【００２９】
本発明のシステムが未充填ＥＤセル又はユニット及び充填ＥＤＩセル又はユニットの両方を用いる場合、処理ラインが１以上のＥＤステージ、及び１以上のＥＤＩステージで運転するように、２つのタイプを別個のステージにグループ化することができる。次いで、ステージのサイジング、流速の設定及び電気的パラメータの制御は、個々の供給流体材料（生物学的成分の炭化又は変性など）及び処理ユニット（スケーリング、汚れ又は濃縮流体マニホールドを通る電流のショートなど）の脆弱性を個別に避けるように、より柔軟に行うことができる。
【００３０】
本発明のシステムにおける１つの有用な設定ポイント又はステージ規定パラメータは、供給ストリームプロセスラインが、処理ラインに沿ったあるポイントで未充填ＥＤユニットから充填ＥＤＩユニットへ流れ、それによって部分処理された供給流体の導電率が分極を惹起することなく有効な電流フローを可能にするレベルにあるように運転させることである。そのシリーズが空のセルから充填セルに進み、同時に全体の除去プロセスがこのように導電率レベルを制御するように実施されると、別々の電圧レベルを、異なるステージに対して独立に有効に設定できるようにすることによって、供給流体中に存在する分極脆弱性の生物学的材料をより有効に守り、品質を損なうことなく収率を向上させる。本発明のかかるシステムは、供給ストリームがタンパク質、香味剤又は他の脆弱な成分、部分或いは官能基を含有するバイオ技術、医薬品又は食品工業における供給ストリームの処理に特に用途がある。
【００３１】
システムのＥＤ／ＥＤＩユニットは粘性流れに適合した内部フロー特性を有するように構築することができる。即ち、ユニットは目的供給流体材料により良く適合するようになされたセル寸法を有することができ、又はＥＤＩユニットの場合、目的供給流体材料により良く適合するようになされたセル寸法、スクリーンスペーサ及びビーズ充填物を有することができる。例えば、ユニットの濃縮流体及び希釈流体スペーサは、濃縮ストリームと希釈ストリームの粘度が互いに異なる場合、希釈流体セルと濃縮流体セルの両方で同じような圧力低下をもたらすように構成することができる。或いは、内部でのフロー閉塞（ビーズ汚れ又は膜の偏位による）を阻止するか、又は、方向の逆転若しくは内部フローのチャンネリングが確実に起こらないようにするか、又は他の所望の運転条件を確保するように寸法を決めるか又は組み立てることができる。しかし、１以上のステージ（例としてはＥＤＩステージ）は、希釈流体チャンバーと濃縮流体チャンバーが実質的に同一寸法でできており、ユニットが逆転モードで運転するか又は運転することができる処理ユニットを含むことが好ましい。
【００３２】
本発明の関連する別の態様によれば、説明するシステムは、困難な食物用途で有効であり、プロセスの衛生及び規制基準に適合したユニットステップで実施される新規の洗浄レジメンを用いて運転させる。本発明のこの態様の好ましい実施形態によれば、システムは、周期的ではあるが、可逆的な汚れ又は性能減損モードで１以上のステージで運転できるように構成することができる。供給流体中に存在する処置しにくい化学種又は汚れ成分を処理するために、このステージを、例えば「貯蔵及び放出」モードで運転させることができる。本発明のこの態様による運転の際、供給流体中に存在する１以上の成分、画分又は他の物質を、希釈流体セル内のビーズ、メッシュ又は膜の中又はそれらの表面上に取り込み、この物質を逆転サイクルの間に濃縮ストリーム中に放出する。修正した洗浄レジメン並びに熱的、化学的又は他の変位機構を、かかる逆転と一緒に用いてこのプロセスを向上させ、システムの処理ユニットの高い性能レベルを長期にわたって維持することができる。
【００３３】
本発明の上記及び他の望ましい特徴及び利点は、特許請求の範囲及び例示の実施形態の図面、並びに代表的な運転又は構成の詳細と合わせて、本明細書の説明から理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１は本発明によるシステムの一実施形態を示す。
【００３５】
システムは電気透析ユニット又は電気脱イオン化ユニットなどの複数の脱塩ユニット３、９、１０、１１、１２及び１３を含む。プロセス供給流体ライン１において、そのそれぞれのユニットは、処理する例えば脱塩する流体のストリームからの供給流体を受け入れる。ユニットは、図１の各ユニットの上端にあるフロー連結部で示されるように、少なくとも部分的に脱塩されたフローをプロセス供給流体ラインに戻す。各ユニットは、供給流体から除去された塩、小分子又は他の材料を運び去る濃縮流体のフロー（図１の各ユニットの下端に示すように、ユニットはそれを導管及びポートを介して受け入れる）を必要とする。ここで「上端」及び「下端」という用語は単に図面に参照しただけであって、ユニット自体、そのポート又は配管連結部の幾何学的寸法又は方向を限定しようとするものではなく、それは変り得るものである。各ユニット内では、供給ストリームからのフローからイオンを捕捉し、そのようにして除去されたイオンを濃縮ストリーム中に移動させるように、希釈フローセル及び濃縮フローセルを配置する。全体として、システムをステップ的なシステムとして配置する。一連のユニットは、供給フローの方向に沿って下流へ漸進的にライン１から供給ストリームを受け入れ、それによって、それぞれが受け入れる供給流体は、ライン１に沿って上流にある先行するユニットによって少なくとも部分的に処理されている。濃縮流体の動きはほぼ逆の方向に進行する。下流端部では、供給流体ライン１に沿ったユニット１１〜１３は、濃縮流体の最初のフローを濃縮流体インプットとして受け入れ、より濃縮されたそのアウトプットを反対方向に導く。結果として、供給流体方向の上流ユニットは、濃縮流体の「下流」フローと呼べるもの（したがって通常より濃縮されている）を受け入れる。図示した実施形態では、下流濃縮フローは、ユニット１１〜１３の希釈流体セルからミネラルを受け入れており、したがってこれらのユニットに供給される濃縮流体インプットより濃縮された濃縮流体を含む。供給ストリームは全体としてユニット３からユニット１３の方へ進み、同時に濃縮フローは全体としてユニット１３からユニット３の方へ進む。したがって、濃縮ストリームのシステムを通る総括的な移動方向（必ずしも、個々の処理ユニット３、９〜１３内のその方向ではないが）は、処理ラインに沿ったこれらのユニットへの供給ストリームの通路の向き又はその順番に対向している。
【００３６】
種々の処理ユニット、又は処理ユニットの共通グループ化を本明細書では「ステージ（複数）」と称することとする。「ステージ」という用語は、その運転の電気的な流体供給又は他の運転側面に影響を及ぼすパラメータの共通セットに影響されるこれらのユニットの１以上からなるセットを指す。「電気的ステージ」という用語は、より具体的には、それに対して電圧又は運転電流設定ポイントなどのユニットの電気的運転パラメータが、ステージのすべてのユニットについて事実上同じである処理ユニットの集合体を示すのに用いるものとする。例えば、図１では、ユニット３、９及び１０を１つのステージとして運転させることができ、ユニット１１〜１３で別のステージを形成することができる。したがって、以下により詳細に考察するように、各ステージはプロセス流体又は供給ストリームの幾分異なる品質及び／又は処理に相当する。これらが、ステージで行う処理を「調整する」運転因子の調節に相当することも好ましい。本発明によれば、これらのステージを、全体として供給ストリームの不純物負荷（及び導電率）が減少する順序で、また、全体として濃縮ストリームのミネラル含量（及び導電率）が減少する順序でライン１に沿って配置される。この意味で２つのストリームは、処理ラインの長さに沿って「マッチング」される。かかるマッチングは厳密に定量的ではないが、セルにかかる電位がよく規定されて割り当てられ、それによって各ユニットの運転の不安定さがなくなり、ユニット３〜１３のそれぞれの運転をより正確に制御できるようになる。
【００３７】
有利なことに、システムおける脱塩ユニットのこの構成は高い運転効率を提供し、個々のステージ又はプロセス全体の範囲を拡大するか又は質を向上させることができる。
【００３８】
図１に示すように、本発明の第１のシステムにおいて、処理される供給流体は液体導管１を通って供給ストリームとして流れ、その流体の少なくとも一部は、加圧下でポンプ２によって第１のユニットの希釈流体セル又は電気的ステージ３に送り込まれる。そこで流体はユニット内の１以上の液圧パスで少なくとも部分的に脱塩される。荷電化学種はこのステージで除去され、ＤＣ電場の影響の下で希釈流体セルに接するイオン浸透膜を通って、別の濃縮フローで洗浄された濃縮流体セル中に移送され、同時に部分的に処理された供給流体はプロセスライン１に戻されて進んでゆく。プロセスライン１は非常に大きくてよく、／又その内容物は低い流速で進むことができ、その結果第１のユニット又はステージ３はどの所与の時点でも供給流体の一部だけを抜出して処理し、流体を数回循環させる可能性がある。同様に、他のステージ９〜１３のそれぞれは供給ストリーム１から得られた流体を受け入れ、少なくとも部分的に脱塩する。次いで、一連のユニットによる処理によってそのミネラルが漸進的に低下してくる。
【００３９】
プロセスラインのユニット３、９〜１３は、異なる全体的特性を有する複数のステージに配置する。図示したようにポンプ１４によって送られた供給濃縮流体は、供給導管処理ラインの下流端部にある３つの電気的ステージ１１、１２、１３の濃縮流体セルを通って進む。この濃縮ストリームは最初比較的低い導電率を有し、これはプロセス導管１の下流端部での最終処理された生成物の導電率と同程度であるが、濃縮ストリームはミネラルを取り込み、濃縮流体が最後の３つのユニット即ち電気的ステージ１１、１２、１３を去る前にはより高い導電率となっている。これは次に濃縮流体の戻り導管１５を通って流れ、そこで、濃縮流体インプットとして上流又は最初の３つのユニット即ち電気的ステージ３、９及び１０へとポンプ１６で輸送される。後者のステージで、濃縮流体は供給ストリームの上流部分から除去されたイオンを取り込む。次いでこれは、濃縮流体出口導管１７を通って最終濃縮流体として電気的ステージ３、９及び１０を出るまでにより濃縮される。個々の供給流体、処理プロセス及び目的生成物に応じて、この最終濃縮流体を、目的生成物又は有用な副生成物として集めることができる。或いは、少なくとも部分的に他のプロセス（例えば、発酵プロセス又は生物製剤若しくは分別回収プロセス）へ再循環するか、或いは廃棄物として処理することができる。
【００４０】
処理ストリーム又は供給ストリームは、濃縮フローとは反対の向きに進行する。共通供給導管１からユニット３の希釈流体セルへ進む流体は、そこで処理され、導管１へ戻るように進み、そこから、処理された生成物流体として、液体導管１に沿って処理ラインから集められるか又はその処理ラインを通過する前に更に脱塩するために、下流の電気的ステージ又はユニット９〜１３中へそれぞれ送り込まれる（例えば供給流体ポンプ４〜８によって）。希釈流体セルへの供給流体の流速は制御システム（図示せず）によって調節される。このシステムは、導電率計１８などの１以上の生成物流体の品質センサーからのインプットを受け入れ、それに応答して様々な制御を行って、所望の度合いの脱塩又は化学種の除去を実現する。
【００４１】
同様に、濃縮流体セルへの流体の流速も制御システム（図示せず）によって調節される。このシステムは、導電率計１９などの濃縮流体センサーからのインプットを受け入れ、運転の１以上のパラメータを制御して所望の度合いの濃度を実現する。
【００４２】
ユニット３、９〜１３の電気的運転は、運転のために適切なレベルで電位又は駆動電流をかけるコントローラ（図示せず）で実施して、供給流体及び濃縮流体を各ユニットに供給させる。制御は、ユニット毎のベースではなく、処理ユニットのグループを含むステージに共通して行うことが好ましい。
【００４３】
処理ラインは異なるタイプの脱塩ユニットを含むことができる。即ち、電気的ステージ又はユニット３、９及び１０は、未充填希釈流体セルを有することも、イオン交換材料を含む希釈流体セルを有することもできる。同様に、電気的ステージ１１、１２及び１３は未充填希釈流体セル又は充填物、例えばイオン交換材料を含む希釈流体セルを含むことができる。個々のユニット内又は電気的ステージ内を流れる希釈流体及び濃縮流体は互いに平行に、同一方向（並流）、対向する向き（向流）、又は特定の構成で互いに横断的に（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ）（交流）流れるように配管することができる。比較的浸透性の不均一膜をユニットに使用する場合か、或いは特定の化学種の濃度又は濃縮流体からの逆拡散が問題となる場合には向流が好ましい。工業的な平板型ＥＤスタックの主要な商業的ラインではもはや一般的ではないが、個々のユニット内での交流は、スパイラルＥＤユニットにおいて見られる。更に、電気的ステージは直列に１以上の液圧パスを有することができる。例えば、ステージがＥＤＩステージである場合、直列か又は並列に置かれた２つのＥＤＩスタックを備えることができる。ステージがＥＤＩスタックであるか又はＥＤＩスタックを含む場合、スタックを、セルの複数のサブセットを含むように構成することもできる。その各サブセットは、その端部に電極を有し、完全なスタックとして機能する。サブセットの適切なポートは、ＥＤＩスタックが２つのステージＥＤＩユニットとして運転するように相互連結させて、流体がセルの第１のサブセット又はサブスタックからセルの第２のサブセット又はサブスタックへ移動するようにすることができる。或いは、かかるデバイスのポートを、サブスタックが平行して運転するように連結することができる。所与の「電気的ステージ」は、ステージのユニットのための電気的条件の共通セット、例えば、構成された供給流体ライン１に沿ったその位置に基づく制御データによる共通した高い電流密度ですべて運転するか、又はすべてが共通したより低い電位及びより小さい電流密度で運転する１つ若しくは１セットのＥＤＩユニットを用いて運転させることができる。
【００４４】
注目すべきことに、図１に示す実施形態は、２つのはっきり区別できるレベル又はグレードの濃縮流体、即ち、ポンプ１４でユニット１１、１２及び１３に輸送された最初のより低い導電率の濃縮流体と、すでにより濃縮されており（ユニット１１、１２及び１３中に滞留し、そこを通過する間に）、ポンプ１６によって供給ユニット３、９及び１０に送られて、ライン１７を通って最終又は生成物濃縮流体となるライン１５からのフローとの使用によってステージ化を実現している。マルチステージ処理ラインにおいて、生成物供給ストリームの上流端に、より高い導電率の濃縮流体をこのように配置することによって、ユニット３、９．．が、供給流体サプライ１の上流部分で可能なより高い限界電流レベルでのより効率的な操作ができるようになり、同時に、下流処理ユニット１１、１２、１３で生成物と濃縮流体の両方の抵抗率がより高いことによって、これらのユニットが、部分的に消耗された又は精製された供給フローで有効に運転できるようにする、希釈セルと濃縮セルにかかる電位差の安定的な分配がもたらされる。例えばかかる電気的制御は、過剰な水分解なしでシステムを運転させることができ（そうでない場合、それは流体の導電率がマッチングされていないために起こる可能性があり、供給流体の重要な成分を変性させる可能性がある）、更に、供給流体ライン１に沿った各ステージの供給流体中に存在するイオン含量の脱塩プロセスを最適化できるようにする。この向上した運転は、生成物品質、総括処理能力及びシステム電気効率の１以上の特性を改善するように調整することができる。
【００４５】
本発明の別の実施形態を図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃに示す。この実施形態は、逆転する処理ユニット（ＥＤＲ及び／又はＥＤ１Ｒ）を用い、「フィード及びブリード」プロセスで運転させるマルチステージ供給ストリームプロセスラインで有利に具現化することができる。フィード及びブリードの構成では、例えばほぼ所定の導電率を有するという指定された基準に適合する、生成物のブリードをアウトプット端部で提供するようにシステムへの供給速度を制御し、同時に、ステージのそれぞれを通るフローは、必要に応じて変化させて、例えば、ステージを通って１回以上回循環させ、且つ／又はポンプ速度を変えるように制御して、ライン１に沿った所与のポイントで、予め設定した品質レベルか又は目標品質レベルが実現されるようにすることができる。
【００４６】
この実施形態では、希釈セルへの供給流体は液体供給導管３０を通って流れ、少なくとも一部は、第１の供給流体ポンプ３１で弁５１を通って第１の電気的ステージ３２へ輸送される。部分的に脱塩されたストリームはステージ３２の希釈流体セルを出て、弁５１を通って流体導管３０中に戻る。部分処理された供給フローは供給流体ライン３０に沿って更に下流の処理ステージ３４、３６、３８、４０へと進み、供給流体の他の部分は更なる脱塩のために、対応する弁５２〜５９を通って下流のそれぞれの電気的ステージ３４、３６、３８、４０中へポンプ３３〜３９で輸送される。流体導管３０を出る希釈ストリームの少なくとも一部は、導電率計４３などの品質センサーを通って流し、生成物として集め、他のプロセスへ循環させるか、又はその用途で必要であれば廃棄物として処理することができる。品質センサー４３のアウトプットは制御システム（図示せず）に送られる。その制御システムは、例えば、流体導管３０を出る希釈ストリームの導電率が、ほぼ所定のレベルに保持されるように希釈流体供給の流速を調節することができる。その一方、濃縮流体マニホールド又は供給導管４４は濃縮流体を処理ユニット３２〜４０に供給する。濃縮フローの上流端部では、濃縮流体の少なくとも一部は、濃縮流体マニホールド４４から、弁５９を通って最終の電気的ステージ４０の濃縮流体セルへポンプ４６で輸送される。この部分は部分的にミネラル化されたストリームとなり、ステージ４０の濃縮セルを出て濃縮流体導管４４へ戻り、そこから、濃縮流体は５０を通ってそれぞれの電気的ステージ３８から３２へポンプ４７で連続的に送られる。これらのステージのそれぞれにおいて、濃縮流体は供給流体から更に不純物を取り込んでより導電性となり、また一般に非イオン性ではあるが小さくて容易に拡散する分子をより含むことにもなる。最終の濃縮ストリームは、第１の電気的ステージ３２を出る。濃縮流体アウトプットを生成物として集め、他のプロセスへ再循環させるか又は廃棄物として処理することができる。濃縮流体の少なくとも一部は導電率計４５などの別の品質センサーを通って流れる。制御システム（図示せず）は、最終濃縮ストリームが導管４４のアウトプットで設定品質又は所定の濃度に保持されるように供給濃縮流体の流速を調節する。この所定の濃度は高くてもよい。例えば、濃縮流体が目的生成物である場合、その濃度を可能な最大値に設定することができる。或いは、制御システムを様々に作用させて濃度を最大値より低く制限することができる。かかる制限は、例えば、濃縮流体の導電性が、濃縮流体マニホールドの短絡回路を生じさせるのを阻止するために付与される。そうでない場合、これは、効率を制限し、過剰な発熱をもたらし、ユニットの膜又は成分に損傷を与え、或いは所与のステージの希釈セル／濃縮セルペアの所望の運転を損なうことになる。
【００４７】
しかし、いずれにしろ、濃縮フローは処理ラインの供給流体入口端に向かって濃縮され、同時に供給流体は導管１の末端部の濃縮流体導管の入口端部方向へ移動するのにしたがって漸進的にミネラルが減少してくる。
【００４８】
逐次的なＥＤステージ又は処理ユニットに沿って主要供給流体フローラインを、受け入れ流体フローの対向する向きで配置することによって、本出願者がカウンターフロー処理ライン配置と称する全体的な生成物処理ライン配置は、処理ラインの各ステージのユニット中を流れる供給流体及び濃縮流体の導電性をより近接してマッチングさせて安定した電気的制御を実現する。これは、ステージについての輸送関数（例えば、電圧及びフローの関数としての供給流体インプット品質対供給流体アウトプット品質）を非常に安定で明確にし、その結果全体的な処理プロセス制御シーケンスを迅速に決定することができ、希釈流体及び濃縮流体コントローラが最適性能で稼動するのに、運転中比較的小さな調整だけしか必要としなくなる。所与のステージにおける希釈セル及び濃縮セル内での流体のフローは並流、向流又は他の相互関係（互いに交差する、又は部分的に平行する、逆平行である、或いは各セルを通るフロー経路の異なるセグメントで互いに交差する等であってよいことを理解されよう。
【００４９】
本発明による希釈（又は「供給」）及び濃縮ストリームのステージ化された向流の動きでのプロセスラインは、供給流体からの小さい非荷電有機分子の損失を低減するように運転させるのに有利である。小さい非荷電有機分子は、膜浸透性、電気浸透水移動の速度及び希釈ストリームと濃縮ストリームの濃度差の関数である拡散速度で、拡散によって膜を通って移動する。電気浸透水移動の速度は、膜を通るイオンによって運ばれる電流量の関数である。このステージで使用される電流はどのステージの電流より小さいので、濃縮ストリームでは、最終のステージ（例えば、図１のステージ１３又は図２のステージ４０）において小有機分子が極わずか濃縮されるだけである。濃縮流体が、フロー経路に沿ってより後のステージに到達し、それを通過する際、小有機分子の濃度を漸進的に増加してくる。小分子のレベルの濃縮流体側でのこの増加は、希釈ストリームと濃縮ストリームとの間の濃度差を小さくし、それによって最も高い電流を有する最初の供給流体ステージ（３、３２）からの拡散損失が阻止される。その結果、処理された生成物ストリーム（ライン１又はライン３０における）からの小さい非荷電有機分子の損失が少なくなる。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態は、逆転するスタック、即ち２つ以上の電気的ステージを有するＥＤＲ及び／又はＥＤＩＲ処理ユニットを用い、ステージ間の位相後退を用いた処理ユニットの逆転を行うように運転させる。
【００５１】
従来の処理ユニットの逆転運転では、ユニットの電気の極性を逆転させ、適切な弁を運転させて、区画内に流入する希釈流体のフローとブラインストリームを入れ替える。これは区画のそれぞれの機能を変える。即ち、前の希釈区画は濃縮流体のフローを受け入れるように運転し、濃縮流体区画として働き、またその逆も行われる。少し時間を変えてアウトプット連結を切り替え、切り替えられたブラインによって（前の）希釈フローを押出し、セルからフローの処理済みの部分を完全に追い出すようにさせるか、或いは、前のブラインが、生成物アウトプット又はプロセスフローライン１に入るのを阻止するように切り替えることができる。電極極性の切り替えは、インプットストリームの切り替えと関係させて位相化させることもできる。個々のスタックについて、運転のＥＤＲ及びＥＤＩＲプロセスはよく知られており、確立された技術を構築している。本発明は、切り替えによって、逆転プロセスが必要とする、損失供給流体量又は濃縮流体からの汚染が著しく低減できるようになる別の「クッション」を、大きなプロセス導管中に提供する。
【００５２】
本発明は、ステージ内に配置された処理ユニットを有する多ユニットプロセスラインで逆転運転を行うための別のステップを適用する。ユニットの逆転は一般に、規格に適合せず、再循環するか又は廃棄しなければならない規格外の生成物を、逆転の際にいくらかもたらす結果となる。液圧シリーズで複数のステージを用いる本発明のシステムについては、供給流体及び濃縮流体導管に沿ったそれぞれのステージを通る処理されたフロー又は濃縮フローの通過と協調して、図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃに示したように位相化か又は逐次的な仕方で、電気極性と、希釈流体及び濃縮流体区画中を流れる流体を逆転させることによってステージを逆転さた場合に、この潜在的問題又は限界は対処される。
【００５３】
図２Ａ〜２Ｃは、処理ラインの長さに沿って延在する共通供給導管３０を有する、図１に示したものと類似したシステムのためのステージ化された逆転運転のフェーズを示す。簡単にするために４ポート弁５１、５２、５３、５４．．．として示した複数の弁を処理ユニット３２、３４の入口と出口に備える。図示したように、弁５１は、供給流体及び濃縮流体ポンプ３１、５０からの圧力ラインを、第１のユニットのそれぞれ希釈流体及び濃縮流体マニホールド（図２Ａ）の入口に連結するように「直進（ｓｔｒａｉｇｈｔ  ｔｈｒｏｕｇｈ）」設定で運転可能であり、同時に、弁５２はこれらのマニホールドの出口を供給流体又は濃縮流体ライン３０、４４へ戻るように連結する。各弁を、その２つの入口（弁５１）間又は２つの出口（弁５２）間の連結を希釈流体及び濃縮流体マニホールドと相互交換し、それによって「希釈流体」セルが濃縮流体を受け入れてそれを戻し、「濃縮流体」セルが供給フローを受け入れてそれを脱塩するように交差フローの位置で設定することもできる。当業者は、ＥＤＲ又はＥＤＩＲユニットに関連して用いられる「希釈流体」又は「濃縮流体」入口マニホールド及び出口マニホールドという用語は便宜的に省略したものであり、最初にそれぞれ希釈流体又は濃縮流体セルと称したセルのセットへの配管又は他の連結部を単に指すものと理解されよう。実際には、逆転運転のためのセルの構成（また適宜逆転運転を目的としたユニットのための固定マニホールド連結も）は実質的に対称であることが好ましく、セルの各セットは、２つの機能モードのそれぞれにおいて運転させることができる。
【００５４】
ここで図２Ａ〜２Ｃに戻ると、図２Ａは、ライン３０、４４を対応するＥＤ又はＥＤＩステージ３２、３４、３６、３８及び４０と相互連結する逆転運転のための逆転弁５１〜６０を備えたカウンターフロー供給流体及び濃縮流体ライン３０、４４を有するマルチステージシステムを示す。すべての弁５１〜６０は直進の位置で示している。各弁は第２の位置（交差していると呼ばれる）を有しており、その位置では、弁の２つの入口ポートはそれぞれ他方の出口ポートに連結されている。例えば弁５１は、加圧化された供給流体及び濃縮流体ラインを、直進設定でスタック３２のそれぞれ希釈流体及び濃縮流体セルと、交差設定でスタック３２の濃縮流体及び希釈流体マニホールドと連結することができる。同様に、出口弁５２〜６０のそれぞれは、希釈流体及び濃縮流体出口を供給流体及び濃縮流体ラインか又は濃縮流体及び供給流体ラインのどちらかに選択的に連結することができる４ポート、２位置運転を有している。したがって、希釈流体及び濃縮流体のフローを第１のステージ３２の区画へ逆転させるために、１つの弁を逆転させ、濃縮フローを希釈流体（であった）側に連結することができる。次いで、コントローラは、生成物規格に適合しない生成物が第１のステージを出ようとするところまで、一定の時間か又はフロー遅延間隔の間待機し、続いて希釈流体と濃縮流体の区画への連結を相互交換する他の弁、例えば弁５２の状態を変更することが好ましい。この時点で電気極性を逆転させることもできる。
【００５５】
この切り替えポイントを、図２Ｂに、ユニット又はステージ３６について、ステージ３６の相互交換弁５５、５６の両方を交差状態の位置にした後、電極極性を逆転させて示す。残る下流のステージ３８、４０は依然としてその元の希釈流体／濃縮流体弁の構成のままであり、これらのステージに近接している主供給導管及び濃縮流体ライン、並びにステージ３６とステージ３８との間を走る供給流体及び濃縮流体セグメントＳ、Ｓ′は、下流ユニット３２、３４、３６の逆転前に含んだ品質と同じ品質の流体を含む。しかし、逆転処理された供給流体の先端がセグメントＳを通って移動し、ポンプ３７及び弁６７に接近すると、ステージ３８はその逆転シーケンスを施される。同様に、次の各ステージは逐次的に逆転される。図２Ｃはすべてのステージが完全に逆転した時の弁の状態を示す。
【００５６】
位相化した逆転は、規格に適合しない生成物の量を最少にするように、スタック内部容積による各ステージ間の逆転のための時間間隔と、ステージ間の導管容積を調節することによって実現することが好ましい。かかる逆転の位相化（ｐｈａｓｅｄ−ｉｎ  ｒｅｖｅｒｓａｌ）は、手動によっても自動的にも行うことができる。しかし実際には、自動制御の手動調節が好ましい。制御は、手動で再設定され次いで適切な検出器で追跡される設定ポイントに従うことができる。或いは、例えば、システム経過時間又は処理リムーバルレベルに影響を及ぼす供給流体粘度などの測定値のマニュアル入力によって変更することもできる。別の実施形態では、１以上の導電率プローブ（供給流体ライン１、３０中に配置されたプローブを含んでよい）は、所与のシステムディメンジョン及びフローデータのための、最適の逆転ポイントを決定する制御システムにアウトプットを提供して、１以上の外部目標、例えばステージの出口で品質変動を指定された限界内に維持することなどを達成することができる。
【００５７】
本発明の別の実施形態を図３に示す。この実施形態は、希釈ストリームについては逆転するＥＤＲ及びＥＤＩＲステージが直進する構成であり、他方、濃縮ストリームは「フィード及びブリード」構成であること以外は、図２Ａ〜２Ｃで述べたものと同様である。即ち供給流体は、ステージと各ステージをシリーズで通る近接した供給導管との間を循環するのではなく、各ステージをシリーズで直接通って流れる。この場合、供給導管３０ａからのフローのすべてが、弁５１を通り、第１のステージ３２の希釈流体セルを通って進み、弁５２を出る。供給フローは、システムの残りの別個のユニットのそれぞれを通って継続的に流れ続け、続いて最終生成物フローがステージ４０を出て導電率計４３を通過していく。したがって、図１又は２に示すようにより大きい連続導管から供給流体を抜出すのではなく、供給流体経路は、各ユニットの希釈流体出口と次のユニットの希釈流体入口との間の別々の相互連結部を進む。希釈流体又は供給流体経路が複数の相互連結セグメントに続き、同時に濃縮流体がシステムの長い濃縮流体ラインに沿って進むこの完全に対称的ではない構成は、従来技術の逆転運転で通常使用される完全に対称の運転サイクルではなく、非対称の逆転サイクルを用いるシステムに使用することができる。好ましい非対称性逆転運転モードは、「貯蔵及び放出」洗浄サイクルの間に希釈流体セルを濃縮流体セルとして周期的に運転させ、それによって、ＥＤデバイスの膜及び／又は樹脂充填物上又はその中に蓄積された特定の成分をフラッシュアウト又は溶出させるモードである。かかる運転において、濃縮ストリームの塩レベルは、制御された追加量の塩を逆転流体に加えて蓄積されたバイオフィルム及び他の物質の破壊及び脱落を有利に助ける適切な塩又は薬品の注入システムを更に提供することによって、選択的に増大させることができる。そのすべて又は一部を既存の濃縮流体塩分で提供される高濃度の塩によって、表面を支配するバイオフィルムの皺状化（ｗｒｉｎｋｌｉｎｇ）及びクラッキングが引き起こされ、そのためより簡単に流れる。また、下にある樹脂の収縮も引き起こして、より開かれたフロー経路を生み出す。そのため逆転されたセルの逆洗浄がより有効である。小さい独立したセグメントの集合体としての供給流体ラインの配置によって、運転の逆転−洗浄モードの際にバックフラッシュされた物質が流れの遅い大きな導管内に滞留又は残留せず、適切迅速にセグメントより押出され、システムからフラッシュされるようになることを確実にする。
【００５８】
この関係で、表面から除去されるか、又は洗浄ステージのこの逆転の際に溶出した材料も、逆洗浄／洗浄タンク或いは専用の収集容器又は装置へ分流（ｓｈｕｎｔ）させることもできる（例えば追加の弁及び配管連結によって）。後者の配置は、そのシステムが、溶出された成分を、例えば生物学的生成物若しくは他の生成物として、又は発酵プロセス若しくは中間プロセスなどの上流プロセスへ戻すための成分として、回収し、濃縮し且つ／又は分離するためである場合に特に有利である。装置が、貯蔵及び放出の機構によってかかる濃縮又は回収を実施するためである場合、ＥＤＩデバイスを、最大で１インチ（２．５ｃｍ）又はそれ以上の比較的厚いセルを用いて構成して、パージの際の捕捉能力を高めることができる。
【００５９】
本発明の他の態様によれば、希釈ストリームの粘度が濃縮ストリームの粘度と異なる流体を処理するために好ましい実施形態では、かかる圧力は、例えばストリーム粘度及び／又はフローの影響を受けるので、それぞれのセルを支配する所望の有効な流速において希釈流体セルと濃縮流体セルの両方で実質的に同じ入口から出口へのかかる圧力降下を発生するように特に調節された大きさ又はフローインピーダンスを有する濃縮流体及び希釈流体のスペーサを備えたユニットを用いる。かかるストリーム粘度の差は、食品工業フロー処理プロセスにおいて一般に見られ、異なる希釈及び濃縮フローはほとんどのＥＤ用途において通常見られる。したがって、濃縮フローが希釈フローの５〜１０％だけしかない場合でも、システム中のユニットのセルは、近接したセル間に導入される差圧が、膜を過度の応力、曲げ変位又は交差漏出にさらすことがないような大きさにすることができる。一般に、流速は２種類のセルに対して同じであっても異なっていてもよく、適切な弁、加圧化又はポンプによって設定又は調節することができる。
【００６０】
スペーサの複数の設計パラメータは、所望の膜間にかかる差圧の最小化を達成又は促進するように限度内で適度に変更することができる。そのために変更できる１つの適切なスクリーンパラメータはセルスペーサの厚さである。スクリーンスペーサの場合、スクリーン成分の単位長さ当たりのストランドの数を増やして、セルを通るフロー経路に沿った圧力降下を増大させることができる。図４Ａ及び４Ｂに、この目的に有用な異なるストランドスペーシング、約２ｍｍのメッシュ及び約８ｍｍのメッシュを有する２つのスクリーンを示す。スクリーン厚さの割合としての個々のストランドの全体厚さを厚くすると圧力降下も増大する。図５Ａ及び５Ｂは異なる厚さの個別ストランドを有する、全体として同じ厚さのスクリーンを示す。図５Ｂに示したスクリーンは、セルの断面積より広い部分を塞ぐように配置されており、図５Ａに示すスクリーンより著しく大きな単位長さ当たりの圧力降下を有することになる。したがって、本システムの１つのステージに用いた（ＥＤ又はＥＤＩ）脱イオン化ユニットを、上記の改変形態の１つで構成して、処理ラインの特定の位置で運転させるためか、又は特定の流体生成物を処理するために最適化させることができる。
【００６１】
食品シロップ又は生物学的流体の処理を、本発明による異なるステージの中に割り当てることによって、安定していて十分に制御された状態下で処理を実行し、それによって、処理ユニットは性能の不可逆的な汚れ又は劣化を伴うことなく運転する。更に、ＥＤＩなどのユニットは、食品工業では従来用いられてはいないが、ある種の成分（乳酸中のカルシウム及び炭酸イオンなど）をより迅速に又はより低い終点まで除去することができ、したがって、供給流体の味質又は商品品質に影響を及ぼす１種以上の特定の化学種又は汚染物に有利に適用することができる。本発明のシステムでは、ステージ中に配置された異なるユニットの使用によって、大きな固定交換床を必要とすることなく、又は床再生に関連した環境コストを招くことなく、適切な終点を指定することができ（例えば、導電率、成分濃度等）、それを信頼性高く得ることができる。更に、処理ステージのＥＤＩ／ＥＤＩＲユニット内で、異なる特定の樹脂を備えて供給流体へのＥＤ運転を更に調節するか、又は処理プロセスを向上させることができる。
【００６２】
したがって、当初は工業用水の処理のために使用された多くの従来型の混合樹脂ＥＤＩセル充填物が、いくつかの食物処理用途に有効であることが証明されているが、この充填物を変え、特定のプロセスのために適合させることもできる。食物流体、特に高フルクトースコーンシロップなどの比較的粘度の高い流体の加工において、電気脱イオン化ユニットに充填するためのビーズは、特定の工業用として数十年にわたって開発されてきた食品に適合した交換ビーズの中から選択することができる。これらには、異なるタイプのゲル状樹脂、多孔性樹脂及びマクロレティキュラー樹脂などの多くのアニオン樹脂及びカチオン樹脂、並びに脱色、特定の汚染物の捕捉、ｐＨの安定化等を行う工業で有用であるか又は必要であることが分かっている吸着剤及びスペシャルティ樹脂が含まれる。個々のユニット又はステージ内には、１以上のタイプの樹脂を、先端部若しくはデバイスを通るフロー経路の後部に分けるか（例えば、ｐＨをほぼ酸性レベルに調節するために）、又は「シマウマ（ｚｅｂｒａ）」模様又は他の帯状にしたパターンに配置して、フロー経路にわたってほぼ安定したｐＨ又はセル−導電率を維持しながらアニオンとカチオンの両方の有効除去を実現することができる）。特定の樹脂及び各種樹脂の混合物の電気脱イオン化ユニットとの適合性は容易に確認されるか、或いは、上記のように、本発明の供給及び濃縮ストリーム特性のマッチングにより高度に安定して制御できる運転電位の適切な調節によってその適合性を確実にすることができる。
【００６３】
更に、各ステージに入る流体を、そのステージ内で処理するために更に調整することができる。即ち、苛性及び酸注入又は製造ユニットを供給流体又は濃縮流体ラインに沿って配置してステージに入る流体のｐＨを調節し、水又は他の希釈剤を加えるか又は除去して、流体を薄めるか又は濃縮し、プロセスフローとは別に調節剤又は共作用型（ｃｏ−ａｃｔｉｖｅ）イオンを加え、全体として、所与のステージにおける処理の効果を変えることができる。
【００６４】
これらのシステムのＥＤ及びＥＤＩデバイスで使用するカチオン及びアニオン交換膜はＩｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒｔｏｗｎｍ  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓで製造されているものなどの均一型イオン交換膜が好ましく、上記会社のＥＤ及びＥＤＩデバイスによく使用されている。これらは、非常に強度があり、漏れ及び拡散移動が相対的に少なく、一般にその品質が高いため好ましいものである。しかし、多くの供給メーカーで製造されている不均一膜を、適切なプロセスの違い、又はその異なる機能的及び物理的特徴に合わせるための装置を用いて使用することもできる。
【００６５】
マッチングされた供給流体及び濃縮流体特性を有する複数のステージにおいて、処理が有効に実現されるようにプロセスパラメータを調整するのに加えて、処理ユニットを洗浄することが必要となる。汚れの影響を特に受け易い閉じ込めたセル及び樹脂充填物を有する充填（ＥＤＩ）ユニットは、特に洗浄が困難であると予測される。その理由は、より開放されたフロー経路を有する空のセル（ＥＤ）ユニット、又は乱流状態、高い流動状態及び束縛されていない（流動化した）状態で洗浄できるイオン交換床とは異なり、ＥＤＩデバイスが、閉じられた小さいセルの中に比較的密に充填されたその交換ビーズを保持しており、流れが充填物の制限されたすき間の空間を通って進むか又はチャネリングして行くからである。
【００６６】
本発明の他の態様によれば、本出願者は、高濃度塩逆転洗浄を用いることによって処理ラインのＥＤユニットの束縛型（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ）処理チャンバー内で洗浄を有効に実施できることを見出した。洗浄プロトコルには、高い塩濃度及び極端なｐＨ、並びにフローの循環を適用することが好ましい。これは、上記のような逆転の際のクリーンインプレース（ｃｌｅａｎ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ（ＣＩＰ））運転として行うことができ、様々な実施形態において苛性、酸及び／又は塩を添加するステップを含むことができる。
【００６７】
かかる洗浄レジメンの１つにおいて、塩／酸のステップ、続いて塩／苛性のステップを適用して希釈流体セルのＣＩＰを実施することができる。標準的なＣＩＰレジメン（例えば、水処理ＥＤＩスタックにおける硬度化学種を定期的に除去するために使用される）を最初に適用したが、ユニット性能に変化はほとんど見られなかった。従来の洗浄レジメン及び手順の基本的概要は、例えばＥＤＩユニット（この場合、Ｉｏｎｉｃｓ１５０セルペアＥＤＩスタックであった）の製造業者から通常提供される作業者用マニュアルに見出すことができる。その手順は変更を要することが分かった。
【００６８】
次に、３つのパラメータ（洗浄サイクルで用いる低いｐＨ、高いｐＨ及び塩濃度）を変えて、新たなレジメンを使用した。各スタックについて使用する塩の量を７５ｌｂ（３４．０ｋｇ）から１５０ｌｂ（６８．０ｋｇ）へ増加させた。具体的な洗浄プロトコルを以下に示した。
【００６９】
食物プロセスフロー（コーンシロップ）のためのＥＤＩ希釈流体セルのＣＩＰ
５ミクロンバグフィルター及び洗浄流体タンクを備えたループ中のユニットを通して循環させるために１６０ガロン（６０６リットル）の洗浄溶液を調製した。スタック及び配管の内容積で、循環ループ中に別の４０ガロン（１５１リットル）の容量が形成された。１５０ｌｂ（６８．０ｋｇ）の塩を用いて規定度１．５５Ｎの溶液を調製した。約３０℃の水温で再循環を開始し、塩を加えた（４０分間の時間をかけて３５０ポンド（１５８．６ｋｇ）の袋分を加えた）。樹脂の浸透圧衝撃を防ぐために塩の添加を最初は徐々に行った。塩の添加が完了したら、ＨＣｌの添加を開始して、Ｍｏｄｅｌ  ６Ｐ  Ｍｙｒｏｎ−Ｌの携帯型計器で測定してｐＨを約１まで下げた。実際のｐＨは約０．９であった。次いで、２０〜２５ｐｓｉ（１．４〜１．７バール）の供給圧力で３０分間溶液を送り、その後タンクを空にして、新たな水を加えて１６０ガロン（６０６ｌ）のレベルにした。
【００７０】
次に、再循環を再開し、追加の１５０ｌｂ（６８．０ｋｇ）の塩を加えた。樹脂及び膜がここではすでに塩の形態になっているので、２回目の塩の添加はより迅速に行った。塩を加え終わったら、ＮａＯＨをマニュアルで中位の速度で加えてｐＨを約１３にまで上げ、苛性塩溶液を生成させた。実際にｐＨは約ｐＨ１２．８で安定した。これも携帯型計器で測定した。次いで苛性塩溶液を約４０℃の温度で更に３０分間再循環させた。再循環を継続している間に、新鮮な水をフィード及びブリード法で加えて塩濃度を徐々に低下させた。翌朝、弁をノーマル設定にリセットして、スタックを最初は液圧で数時間運転させ、次いで塩を電気的にフラッシュアウトした。洗浄によって生成物フローは増加し、供給圧力は低下した。スタック運転電流（アンペア数）の増加が示すように、スタック抵抗も低下した。
【００７１】
したがって、ＣＩＰは比較的高い塩分を適用して実施した。これは交換ビーズの収縮及び表面バイオフィルム上での収縮、脆化又は他の効果などの機構、並びに樹脂中に保持されている硬度化学種の排除などの他の機構によって、バイオフィルム及びタンパク質付着物の破壊を増進すると考えられている。膨張した交換樹脂の収縮は、洗浄サイクルの間により開かれたフロー状態をもたらし、フロースクラッビングを向上させ、除去されるか排除されるか、又は脱落した材料が希釈流体セルから移動できるようにする。洗浄条件は、領域の両端部で比較的極端なｐＨ条件をも適用した。これは、汚れ除去及び洗浄効果に加えて、処理ユニットの内部フロー空間を消毒するように運転する。これは、多くの交換樹脂によって許容される比較的限定された温度範囲によって、極わずかにしか効果のない著しく遅いか又は実際的でない熱消毒しかもたらさないので、医薬品工業又は食品工業のプロセスストリームを処理するのに特に有利である。上記したようなステージのプロセスラインの配置によってＥＤステージにＥＤＩステージが後続した場合、より有効な洗浄が可能になる。
【００７２】
高い塩分でのＣＩＰ処理のために、塩分は少なくとも部分的に濃縮ストリームによって提供することができるが、外部の塩供給源を用いて（例えばより高いナトリウム含量で）、洗浄の間に蓄積された硬度イオンのより有効な軟化及び除去を実現することが好ましい。高い塩濃度の処理が生物汚染物質（ｂｉｏｆｏｕｌａｎｔ）を洗浄するのに有効であることが分かったが、洗浄プロトコルに長期浸漬又は再循環のステップを含めること、並びに酸性及び塩基性ステップを行うこと、並びに洗浄の際にセルにかける適切な電位を印加するステップのそれぞれも、洗浄サイクルの実効性及び長期にわたっての性能の低下、汚れ又はスケーリングの回避に著しく寄与する。
【００７３】
その機構又は逆転洗浄は、供給ストリームの処理のための機構として、供給流体のある種の十分に除去されないか又は潜在的に汚れる性質の成分を特に目標として適用し、「貯蔵及び放出」プロセスによってこれらの成分を分離するためにも適用することができる。その場合、１以上の相当する処理ユニット又はステージ、例えば第１のステージ又はユニットは、捕捉運転を向上させるように、例えば処理セルの上流端部にアニオン交換樹脂を配置してタンパク質成分を捕捉するように特に構成することができる。この意図的な先端部の生物汚染物質は、充填セルの残りの部分及び下流のどのユニット又はステージにも先行してタンパク質／汚染物質を捕捉し除去する。次いで、第１のステージ又はユニットは、逆転モードで運転させた時に捕捉された成分は放出されるか、或いはＣＩＰ運転中にそれを除去することができる。希釈流体及び濃縮流体セルに適用された希釈及び濃縮ストリームの正規の交換に加えて、逆転弁を備えることができる。それによって、充填セル中更に通すことなく、セルを通るフローの方向を逆転させ、汚染性のバイオ材料又は捕捉された材料（スケーリング化学種など）を直接（バック）フラッシュさせることができる。かかる逆転洗浄の際、材料が濃縮フローによってフラッシュされた時点で、適切な弁で排出系又は分離タンクへ送ることができ、それを保持すべきであれば、沈降、濾過及び／又は他のステップを施して、分散している固形物を濃縮ストリームから除去する。回収が必要であればその画分の回収を行うこともできる。かかる場合、システムは、成分の第１のセットを従来の電気透析プロセス−捕捉、イオン導通及び濃縮ストリーム中への輸送によって除去し、成分の第２のセットを、ステージの逆転の間の捕捉、続く溶出又は濃縮ストリーム中への直接的な物理放出によって除去する。上記したように、プロセスの第２のセットは、酸及び／又は苛性浸漬及び循環ステップを含む改変した逆転洗浄サイクルの間に実施することもできる。その場合、流体のすべて又は一部を、処理システムの正規の供給濃縮流体から分離するか又は迅速に排出系へ送ることができる。
【００７４】
即ち、本発明のステージ化したシステムは、処理困難な供給ストリームのための新規の分離及び処理の可能性を提供する。そこでは非常に安定したレクトリカル運転が実現される。したがって、供給ストリーム自体は、プロセスラインの入口と出口の間１以上で調整又は調節できる一連の勾配のついた品質にすることができる。異なる（ＥＤ又はＥＤＩ）ユニットを、分離又は精製を最適化するのに使用することができ、ラインのＥＤＩ処理部分の中で、異なるタイプのＥＤＩユニットに、例えば、厚肉セルユニット、薄肉セルユニット、まばらに充填した層状又は帯状充填ユニットを用いることができる（例えば、同一所有者の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／２８８１５及び本出願者の同一所有者の他の公開国際出願を参照されたい。その開示全体を参照により本明細書に組み込む）。
【００７５】
本発明を開示し、例示の実施形態を説明してきたが、当業者には本発明の趣旨及び範囲内の他の変更形態及び修正形態を着想されよう。かかる変更形態及び修正形態はすべて、本明細書で説明し添付の特許請求の範囲で定義した本発明の範囲内にあるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】非逆転方式システムでの本発明の実施形態を示す図である。
【図２Ａ】「フィード及びブリード」逆転方式システムでの本発明の実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】「フィード及びブリード」逆転方式システムでの本発明の実施形態を示す図である。
【図２Ｃ】「フィード及びブリード」逆転方式システムでの本発明の実施形態を示す図である。
【図３】直進フローの希釈ストリーム及び逆転方式システムとしては「フィード及びブリード」濃縮流体での本発明の実施形態を示す図である。
【図４Ａ】異なるストランドスペーシングを有するスクリーンの平面図である。
【図４Ｂ】異なるストランドスペーシングを有するスクリーンの平面図である。
【図５Ａ】異なる厚さの個別ストランドを有する全体としては同一厚さのスクリーンの側面図である。
【図５Ｂ】異なる厚さの個別ストランドを有する全体としては同一厚さのスクリーンの側面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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