(57)【要約】本発明は、膜表面での生物膜の成長を促進させ制御することによる浸透圧駆動型膜システムにおける流束の改善に関する。【選択図】  図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のステップを含む、浸透圧駆動型膜システムにおける流束を促進させる方法：
供給側および透過側を有する正浸透膜を提供するステップと、
供給溶液を前記正浸透膜の前記供給側に導入するステップと、
誘導溶液を前記正浸透膜の前記透過側に導入するステップと、
前記正浸透膜表面で生物膜の成長を促進させるステップ。
【請求項２】
生物膜の成長を促進させる前記ステップは、前記供給溶液に少なくとも１つの栄養素を導入して、その中に存在する１つ以上の微生物と優先的に反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記誘導溶液は、前記誘導溶液から前記正浸透膜を通る逆輸送を介して前記供給溶液に導入される前記少なくとも１つの栄養素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの栄養素は、前記供給溶液に直接、導入される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
生物膜の成長を促進させる前記ステップは、前記少なくとも１つの栄養素の濃度を制御することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの栄養素はアンモニアイオンを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
生物膜の成長を促進させる前記ステップは、少なくとも１つの微生物を前記供給溶液に導入することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
生物膜の成長を促進させる前記ステップは、二酸化炭素を前記供給溶液に導入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記生物膜の成長を制御するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
生物膜の成長を促進させる前記ステップは、開放型マトリクスの生物膜の成長を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
以下を備える、浸透圧駆動型膜システムの流束を促進させるためのシステム：
透過側および供給側を有する正浸透膜と、
前記正浸透膜の前記供給側と流体連通した供給溶液源と、
前記正浸透膜の前記透過側と流体連通した誘導溶液源と、
前記正浸透膜表面の少なくとも一部における生物膜の成長を促進させるために、少なくとも１つの栄養素を前記正浸透膜の前記供給側に導入する手段。
【請求項１２】
前記誘導溶液はアンモニアおよび二酸化炭素を少なくとも１：１のモル比で含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの栄養素はアンモニアイオンを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
少なくとも１つの栄養素を導入するための前記手段は、前記供給溶液源と連通した装置を備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの栄養素を導入するための前記手段は、前記誘導溶液源と連通する装置を備え、前記栄養素は前記正浸透膜を通る逆輸送を介して前記正浸透膜の前記供給側に移動する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
二酸化炭素を前記正浸透膜の前記供給側に導入するための手段をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年８月３日に出願された米国特許仮出願第６１／５１４，６６１号の利点および優先権を主張するものであり、その全ての開示内容が参照によりその全体において本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して浸透圧駆動型膜システムの流束の改善に関し、より具体的には、膜汚染を防ぐために膜表面上の生物膜の成長を促進および制御することに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、膜表面はその上の生物膜の形成に対抗するように処理されるか、または別の方法で製造されてきた。例えば、特許文献１を参照されたく、その開示は参照によりその全体が本願に組み込まれる。膜上の生物膜の形成は、例えば、膜システムの流束を減少させることにより、汚染の一形態であり、膜システムの動作に対して有害であるとみなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２５１８８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
概して、選択された種類の生物膜の成長を、膜表面（例えば、供給側および／または透過側）で促進させることによって、この膜が使用されている工業システムに有利な便益を提供できる。これらの有利な便益には、膜表面を別の方法で通過しかねない供給成分（例えば、小さい非荷電有機物）の酸化、膜表面上における、汚染を阻止可能な滑らかで均一な面の生成、膜表面上にさもなければ付着するであろう鉱物の減少が含まれ得る。一例では、膜表面上における汚染の阻止または少なくとも減少は、流束レベルをより高くおよび／またはより一定に保つ助けとなり得る。概して、汚染は本明細書において、流束を減少させるか、またはさもなければ膜に有害な影響を与えることもある多様な種類の膜汚染を指すために用いられ、膜汚染には、結晶性汚染（鉱物の付着、または溶液生成物中に過剰に含有されることによる鉱物の沈殿）、有機汚染（溶解フミン酸、油、潤滑油等の沈殿）、粒子およびコロイド汚染（粘土、沈泥、粒状腐敗物質、破片、およびシリカの沈殿）、微生物汚染（バイオ汚染、微生物の吸着および堆積、生物膜の生成）が含まれる。いくつかの実施形態において、選択された種類の生物膜の形成により、有害生物膜の形成の抑止または阻止が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、本発明は、浸透圧駆動型膜システムにおいて流束速度を促進させるまたは安定させる方法に関する。本方法は、供給側および透過側を有する正浸透膜を提供するステップと、供給溶液を正浸透膜の供給側に導入するステップと、誘導溶液を正浸透膜の透過側に導入するステップと、正浸透膜の供給側または透過側の少なくとも１つの上で選択された生物膜（例えば、膜上に別の方法で形成する傾向を有し得るが、良い影響は及ぼさない望ましくない生物膜とは対照的な、所望の生物膜）の成長を促進させるステップを含む。例えば、膜の供給側は、特定の生物膜のための支持構造を自然に形成可能であるかまたは形成できるように改良されることが可能である。１つ以上の種類の生物膜の成長が、特定の用途、例えば、付着の阻止に適合するように促進され得る。１つの実施形態において、誘導溶液は、生物膜の形成を助ける少なくとも１つの選択された栄養素を含む。使用された溶液は特定の用途に適合するために水性または非水性であり得る。
【０００７】
上記発明の種々の実施形態において、生物膜の成長を促進させるステップは、少なくとも１つの栄養素を供給溶液に導入して、供給溶液中に存在するか、あるいは供給または誘導溶液に付加されてもよい１つ以上の微生物と優先的に反応させることを含む。１つの実施形態において、少なくとも１つの栄養素は、誘導溶液から正浸透膜を通る逆輸送を介して供給溶液に導入される。代替としてまたは付加的に、少なくとも１つの栄養素は、供給溶液源または誘導溶液源に直接、導入され得る。少なくとも１つの栄養素は、例えば、供給または誘導溶液を保持する容器またはチャンバにおける他の開口、あるいは膜を収容する筐体を経由して手動で導入され得る。１つの実施形態において、栄養素および／または微生物は、制御された状態で少なくとも１つの栄養素および／または微生物を導入し得る、計測装置（例えば、バルブ）を備えたホッパを経由して付加され得る。少なくとも１つの栄養素／微生物は、例えば、液状または粉末状で導入され得る。少なくとも１つの栄養素／微生物を導入するための手段は、比較的均一に分散するよう選択された溶液中で栄養素／微生物を混合するための撹拌機または他の種類の器具も含み得る。少なくとも１つの栄養素／微生物を導入するための手段は、誘導溶液、供給溶液、および膜のいずれかの状態または特徴（例えば、流束速度または材料）を監視可能で、また、例えば、測定された状態または特徴に基づいて生物膜の成長を促進および／または制御するために、少なくとも１つの栄養素または他の物質の導入を制御可能な、関連センサおよびスイッチを備えた制御システムも含み得る。
【０００８】
さらに、生物膜の成長を促進させるステップは、例えば、誘導または供給溶液中の少なくとも１つの栄養素／微生物の濃度の制御も含み得る。少なくとも１つの栄養素は、本質的に、例えば、石油系物質、アミノ酸、炭素、酸素、ビタミン、砂糖、硝酸塩、リン酸塩等を含むいずれかの有機または非有機材料であり得る。微生物は、例えば、細菌、タンパク質、古細菌、原生動物、菌類、および藻類、またはこれらの組み合わせを含むグループから選択され得る。生物膜の成長を促進させるステップは、二酸化炭素を供給溶液に導入する（例えば、注入する）ステップも含み得る。さらに、生物膜の成長を促進させるために、熱も供給溶液に導入され得る。本方法はまた、例えば、定期的または連続的な空気洗浄、または高速流により、生物膜の成長を制御させて膜厚を減少させるステップも含み得る。栄養素の量および／または質も、生物膜の成長に影響を与え得る。さらに、生物膜の成長を制御するために、多様な種類の殺生物剤（例えば、抗菌薬、酸化性および非酸化性の殺菌剤）が本システムに導入され得る。生物膜の成長を促進させるステップは、開放型マトリクスの生物膜の成長を含み得る。
【０００９】
別の態様において、本発明は、浸透圧駆動型膜システムの流束を促進させるためのシステムに関する。本システムは、透過側および供給側を有する正浸透膜と、正浸透膜の供給側と流体連通した供給溶液源と、正浸透膜の透過側と流体連通した誘導溶液源と、正浸透膜の表面（例えば、供給側）の少なくとも一部において選択された生物膜の成長を促進させるために、少なくとも１つの選択された栄養素を正浸透膜の供給側および／または透過側に導入するための手段とを含む。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの栄養素を導入するための手段は、少なくとも１つの栄養素に加えてまたはその代わりに、少なくとも１つの微生物を導入するための手段を含み得る。
【００１０】
種々の実施形態において、誘導溶液はアンモニアおよび二酸化炭素を少なくとも１：１のモル比で含む。少なくとも１つの栄養素はアンモニアイオンを含み得る。少なくとも１つの微生物は、細菌、タンパク質、古細菌、原生動物、菌類、および藻類、またはこれらの組み合わせを含むグループから選択され得る。少なくとも１つの栄養素および／または微生物を導入するための手段は、供給溶液源および／または誘導溶液源と連通する装置を備え得る。少なくとも１つの栄養素を誘導溶液源に導入する場合、少なくとも１つの栄養素は正浸透膜を通る逆輸送を介して正浸透膜の供給側に移動する。本装置は、少なくとも１つの栄養素を液状で導入する場合、供給または誘導溶液源と流体連通し得る。本システムは、例えば、供給溶液へ注入することにより、二酸化炭素を正浸透膜の供給側に導入するための手段も備え得る。
【００１１】
種々の実施形態において、少なくとも１つの栄養素および／または微生物は、例えば、供給または誘導溶液を保持する容器またはチャンバにおける他の開口、あるいは膜を収容する筐体、あるいは制御された状態で少なくとも１つの栄養素および／または微生物を導入し得る、計測装置を備えたホッパまたは他の既知の分配装置を経由して、手動で導入され得る。少なくとも１つの栄養素／微生物は、例えば、液状または粉末状で導入され得る。少なくとも１つの栄養素を導入するための手段は、比較的均一に分散するよう選択された溶液中で栄養素／微生物を混合するための撹拌機または他の種類の器具も含み得る。少なくとも１つの栄養素／微生物を導入するための手段は、誘導溶液、供給溶液、および膜のいずれかの状態または特徴（例えば、流束速度または材料）を監視可能であって、生物膜の成長を促進および／または制御するために、少なくとも１つの栄養素または他の物質の導入を制御可能な制御システムも含み得る。
【００１２】
いくつかの実施形態において、栄養素源は、この特定の目的のために供給溶液に導入されたか（例えば、メタノール）、または誘導溶液に導入されて（もしくはその成分であって）、それが膜を通して供給側表面に拡散し、生物膜がそれら（例えば、アンモニアおよびアンモニアイオン）を酸化することができる、供給溶液源に存在する有機物を含むことができる。１つの実施例において、付着を阻止するための生物膜が生成されることが可能であり、生物膜上に形成される鉱物がその生物膜によって減少し、再可溶化される。本プロセスは、「逆塩流束」として膜を通して拡散した誘導溶液からのアンモニアから取り出された電子により促進される。１つの実施形態において、栄養素（複数を含む）は、典型的に、エネルギー源として鉄や硫黄化合物を酸化し、金属を可溶化するための浸出試薬を産出する塩水中で見出され得る細菌からの生物膜の形成を促進させるために選択される（例えば、鉄酸化細菌または硝化菌などの化学的自己栄養細菌）。この場合、膜表面上での生化学的反応が不可逆的付着を阻止することができる。代替としてまたは付加的に、化学的リガンドまたは他の付着防止剤型物質が、膜を通して逆流可能になり、ある種の汚染層を開放するか、またはそれらの汚染層が膜の供給側に付着することを阻止する。
【００１３】
これらおよび他の目的は、ここに開示される本発明の利点および特性とともに、以下の説明および添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。さらに、ここに記載される種々の実施形態の特性は、相互に排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列において存在し得ることを理解されたい。
【００１４】
図面中、同様の参照文字は、異なる図を通して一般に同じ部品を指す。また、図面は、必ずしも原寸には比例せず、代わりに、本発明の原則を例示することに重きが置かれており、本発明の限界の定義として意図されるものではない。分かりやすくする目的で、あらゆる図面において全ての構成要素が表示されているわけではない場合がある。以下の説明において、本発明の種々の実施形態が以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の１つ以上の実施形態による、システムの略図である。
【図２】本発明の１つ以上の実施形態による、方法の種々のステップを示すフローチャートである。
【図２Ａ】図２の方法のステップのうち１つのステップの種々のサブステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、浸透圧駆動型膜システム１０における流束を改善させるための１つの可能なシステムを示す。システム１０には、１つ以上の正浸透膜または膜モジュールを含み得る膜システム１２が含まれる。種々の膜システムおよびその関連構成要素は、米国特許第６，３９１，２０５号および第７，５６０，０２９号、ならびにＰＣＴ国際公開第２００９／１５５５９６号、第２０１１／０５３７９４号、および第２０１１／０５９７５１号に開示され、その開示が参照によりその全体において本願に組み込まれる。開示されたシステムで使用され得る種々の膜は、米国特許公開第２０１１／００３６７７４号および第２０１１／００７３５４０号に開示され、その開示が参照によりその全体において本願に組み込まれる。標準的な膜も同様に使用され得る。
【００１７】
供給溶液とも称される第１の溶液の源１４は、膜システム１２と流体連通している。供給溶液は、通常、生物膜または特定の物質（例えば、細菌）を生成するために使用可能であり、供給溶液に付加可能で、選択された生物膜の成長を助ける種々の微生物を含んでもよい。システム１０はまた、誘導溶液とも称され、やはり膜システム１２と流体連通した第２の溶液の源１６を含む。誘導溶液は、誘導溶液に付加可能な１つ以上の栄養素または他の物質（例えば、微生物）を含むことができる。栄養素（複数を含む）は、膜システム１２を経由して膜の供給側に逆輸送されることができ、選択された微生物と優先的に反応し、膜の供給側の表面の少なくとも一部において選択された生物膜の成長を促進させるであろう。いくつかの実施形態において、栄養素または他の物質が選択可能であり、有利な生物膜の形成の代替としてあるいは付加的に、ある種の汚染層の形成を妨げる。
【００１８】
典型的に、膜システム１２は、チャンバまたは一種の筐体内に浸された１つ以上の膜を含む。筐体は、栄養素を膜の透過側および／または供給側に導入するための手段を含むことができる。供給溶液源１４および誘導溶液源１６は、膜チャンバに隣接して配置されるチャンバ、あるいは膜システム組立体の一部となり得る。代替としてあるいは付加的に、供給溶液源１４および誘導溶液源１６は、離間して設けられることが可能であり、これらの溶液は、例えば、ポンプ、バルブ、およびなんらかの必要な配管を介して膜システム１２に搬送され得る。システム１０はさらに、微生物か栄養素のどちらかを供給溶液に導入する手段１８および／または、微生物および／または栄養素を誘導溶液に導入する手段２０を含み得る。
【００１９】
供給溶液中の１つ以上の特定の微生物と反応する栄養素（複数を含む）が選択され、その結果、供給溶液が膜の供給側に導入されると、微生物が膜の供給側の表面に付着し始め、それにより、生物膜の形成が始まる。いくつかの実施形態において、選択された微生物が供給溶液に導入されて、選択された生物膜の成長を促進させる。微生物は、（例えば、供給溶液に存在してもよい他の物質と混じり合わないようにする、または他の物質を吸収することにより）、膜表面で膜の汚染に抵抗するマトリクスを形成し、それにより、膜システム１２を通してさらに安定した流束を維持するであろう。概して、生物膜の形成は、膜システムの初期流束速度を少し減少させることもあるが、生物膜が膜汚染を阻止または少なくとも減少させるため、流束レベルは典型的な膜汚染の場合のようには急激に下降しない。
【００２０】
図２は、浸透圧駆動型膜システムにおける流束を促進させる方法１００を実行するために行われてもよい種々のステップを示す。方法１００は、正浸透膜を提供する初期のステップ（１０２）を含み、膜は供給側および透過側を有し、任意の順序で、供給溶液を正浸透膜の供給側に導入し（１０４）、誘導溶液を正浸透膜の透過側に導入する（１０６）。最終的に、方法１００は、正浸透膜の供給側で生物膜の成長を促進させるステップ（１０８）を含む。本方法は、図２Ａに示すような、生物膜の成長の促進に関連する付加的なステップを含んでもよい。
【００２１】
図２Ａに示すように、このような付加的なステップは、供給溶液への少なくとも１つの栄養素の導入（１１０）、少なくとも１つの微生物の導入（１１２）、および／または二酸化炭素の導入（１１４）のうち１つ以上を含む。生物膜の成長を促進させるステップ（１０８）もまた、上述の物質の導入速度および／または濃度レベルの制御（１１６）を含み得る。導入速度および濃度レベルは、例えば、生物膜の成長速度または生物膜の構造を制御するように、あるいは生物膜を最適なレベルで維持するように制御可能である。さらに、本方法は、生物膜の成長を制御するステップ（１１８）を含むことが可能であり、このステップは、生物膜の形成に影響を与えるために付加的な物質を供給溶液および／または誘導溶液に導入することを含み得る。例えば、最適なレベルを超えた生物膜の成長を妨げるために、ある物質を供給溶液に付加することが可能である。
【００２２】
本願に記載された種々のシステムは、従来の配管技術を用いて相互接続されてもよいし、また本願に記載された種々のシステムの動作およびプロセスを監視し制御するために、ポンプ、バルブ、センサ、ゲージ等の任意の個数の構成要素、またはそれらの組み合わせを含み得る。１つ以上の流体流動ストリームの特質または特徴の調整だけでなく、例えば、バルブやポンプの駆動などであるがそれらに制限されない本システムの構成要素の少なくとも１つの動作パラメータを調整または制限するために、種々の構成要素は、制御器または制御システムと連動して使用されることが可能である。
【００２３】
制御システムは、濃度、流速、ｐＨ値、圧力、または温度などの少なくとも１つのシステムの動作パラメータを検出するように構成される、少なくとも１つのセンサと電子的に連通してもよいし、センサにより生成された信号に応じて１つ以上の動作パラメータを調整するために、概して、制御信号を生成するように構成されてもよい。制御システムは典型的に、表現および対象、または設定点などの所望の値のうちいずれかの１つ以上に典型的に基づいた、少なくとも１つの出力信号の生成を促進させるアルゴリズムを含む。１つ以上の特定の態様によれば、制御システムは、いずれかのストリームまたは構成要素のいずれかの測定された特質の表現を受けるように、またいずれかのシステム構成要素に対して、制御、駆動または出力信号を生成して対象値から測定された特質の偏差を減少させるように構成されることが可能である。
【００２４】
当業者は、本明細書に記載されるパラメータおよび構成は例示的であり、実際のパラメータおよび／または構成は、本発明のシステムおよび方法が使用される特定の用途に依存することを理解するであろう。当業者はまた、日常的な実験のみを使用して、本発明の特定の実施形態の均等物を認識するかまたは確認することができるはずである。したがって、本明細書に記載される実施形態は、例としてのみ提示されるのであって、添付の請求項およびその均等物の範囲内において、本発明が具体的に記載される以外にも実践され得ることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【国際調査報告】
2014521505.tif 000006
2014521505.tif 000007
2014521505.tif 000008