(57)【要約】  複数系列の直列配置した分離膜モジュールを備えるろ過装置において、分離膜モジュールへのろ過対象液輸送を効率的に行い、かつ設備のさらなる簡素化を可能とするために、本発明のろ過装置は、被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置であって、複数の前記分離膜モジュールの非透過側を直列に接続することで、直列ユニットを形成する直列非透過液流路と、複数の前記分離膜モジュールの透過側を並列に接続することで、並列ユニットを形成する並列透過液流路と、を備える。
2014204002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置であって、
複数の前記分離膜モジュールの非透過側を直列に接続することで、直列ユニットを形成する直列非透過液流路と、
複数の前記分離膜モジュールの透過側を並列に接続することで、並列ユニットを形成する並列透過液流路と、
を備えるろ過装置。
【請求項２】
被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置であって、
複数の前記分離膜モジュールの非透過側を直列に接続することで、直列ユニットを形成する直列非透過液流路と
複数の前記分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールのろ過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御するろ過運転制御装置と、
を備えるろ過装置。
【請求項３】
前記ろ過運転制御装置は、互いに異なる前記直列ユニットに含まれかつ同じ段に配置される複数の分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御する請求項２に記載のろ過装置。
【請求項４】
互いに異なる直列ユニットに属する複数の分離膜モジュールの透過側を並列に接続することで並列ユニットを形成するユニット横断並列流路をさらに備え、
前記ろ過運転制御装置は、前記ユニット横断並列流路上にあり、かつ、同じ並列ユニットに属する複数の分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールのろ過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御する請求項２または３に記載のろ過装置。
【請求項５】
前記並列透過液流路として、互いに異なる直列ユニットに属する複数の分離膜モジュール間を接続するユニット横断並列流路を少なくとも備え、
同じ並列ユニットに属する複数の分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールの透過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御し、かつ前記ユニット横断並列流路上にある、ろ過運転制御装置をさらに備える請求項１に記載のろ過装置。
【請求項６】
前記並列ユニットとして、第１並列ユニットと、前記第１並列ユニットに含まれる分離膜モジュールよりも後段に配置される第２並列ユニットと、を少なくとも備える請求項４または５に記載のろ過装置。
【請求項７】
前記ろ過運転制御装置は、互いに異なる並列ユニットに属する分離膜モジュール間でのろ過流量の差を低減するように、前記分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を制御する請求項４から６のいずれか１項に記載のろ過装置。
【請求項８】
前記ろ過運転制御装置は、互いに異なる並列ユニットに属する分離膜モジュール間での膜間差圧の差を低減するように、前記分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を制御する請求項４から６のいずれか１項に記載のろ過装置。
【請求項９】
前記並列透過液流路に接続され、逆圧洗浄用の洗浄液を供給する洗浄液供給部をさらに備える請求項５に記載のろ過装置。
【請求項１０】
複数の前記ろ過運転制御装置を備える、請求項２〜９のいずれか１項に記載のろ過装置。
【請求項１１】
前記分離膜モジュールの長手方向が、水平方向に対して垂直であるかまたは傾いている請求項１から１０のいずれか１項に記載のろ過装置。
【請求項１２】
原料と、前記原料を発酵させて化学品を生成する細胞と、を含む発酵液を収容する発酵槽と、
前記発酵槽に接続され、前記分離膜モジュールにより前記発酵液をろ過して、細胞を含む非透過液と前記化学品を含有する透過液とに分離する請求項１から１１のいずれか１項に記載のろ過装置と、
前記非透過液を前記発酵槽に還流する流路と、を備える化学品の製造装置。
【請求項１３】
分離膜モジュールの被ろ過液入口を介して直列に接続された２段以上の分離膜モジュールを有する複数の直列ユニットを備えるろ過装置の運転方法であって、
（ａ）前記分離膜モジュールによって、被ろ過液を透過液と非透過液とに分離するろ過を行う工程と、
（ｂ）互いに異なる前記直列ユニットに含まれる複数の分離膜モジュールから流出される透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールのろ過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御する工程と、
（ｃ）ろ過実行とろ過停止とを交互に繰り返す間欠ろ過を行う工程と、
を備え、
前記工程（ｃ）は、前記工程（ｂ）において透過液の圧力を一括で制御される複数の前記分離膜モジュールについて、一括して前記間欠ろ過を行うことを含むろ過装置の運転方法。
【請求項１４】
前記ろ過装置の運転方法は、
（ｄ）ろ過停止中の分離膜モジュールを逆圧洗浄する工程をさらに備える請求項１３に記載のろ過装置の運転方法。
【請求項１５】
前記工程（ａ）は、
（ａ１）一部の分離膜モジュールにおいてろ過を停止する工程と、
（ａ２）前記工程（ａ１）によりろ過が停止された分離膜モジュール以外の分離膜モジュールのろ過を実行する工程と、を含む請求項１３または１４に記載のろ過装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数系列の直列配置した分離膜モジュールを備えるろ過装置、当該ろ過装置を利用した化学品の製造装置およびろ過装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分離膜は、飲料水製造、浄水処理、排水処理などの水処理分野、微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産を行う発酵分野、食品工業分野等様々な方面で利用されている。飲料水製造、浄水処理、排水処理などの水処理分野においては、分離膜が従来の砂ろ過、凝集沈殿過程の代替として水中の不純物を除去するために用いられている。【０００３】
分離膜モジュールには様々な様式があるが、膜面積あたりの設置面積が小さく、分離膜モジュールの交換費用が少ない中空糸膜モジュールなどを用いる技術が一般的に知られており、ろ過の方法としては、（１）ろ過対象液を分離膜モジュールに送液してろ過を行う全量ろ過法、および（２）ろ過対象液を分離膜モジュールに送液し、一部はろ過して、他の大部分はろ過対象液の貯槽などに循環するクロスフローろ過法がある。クロスフローろ過では、分離膜と平行なクロスフロー流れの剪断力により分離膜表面の堆積物を除去する効果が期待でき、濁質濃度の高い対象液の処理に好ましく用いられる。【０００４】
分離膜を用いたろ過技術の適用例として、連続発酵法が挙げられる。すなわち、連続発酵法において、微生物または培養細胞を分離膜でろ過することで、濾液から化学品を回収すると同時に濃縮液中の微生物または培養細胞を発酵培養液に保持または還流させることが提案されている。これによって、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を高く維持することができる。【０００５】
連続発酵装置においては、より効率的な連続発酵による生産を行うために、膜面積あたりの設置面積が小さく、分離膜モジュールの交換費用が少ない中空糸膜モジュールなどを用いる技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術では、微生物や培養細胞を、分離膜に中空糸膜を用いて、濾液から化学品を回収すると同時に濃縮液中の微生物や培養細胞を発酵培養液に保持または還流させることにより、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を高く維持することが可能となっている。発酵培養液を中空糸膜モジュールに送液し、一部はろ過をして、大部分は発酵槽に還流させるクロスフローろ過を採用しており、このクロスフローの流れの剪断力により、膜表面の汚れを除去し、効率的なろ過を長期間継続することも可能である。【０００６】
ここで、工業規模で行う連続発酵では、大きな発酵槽が使用され、その容積は数百ｍ３にもなることが想定される。高濃度の微生物を含む発酵液を大量にろ過するためには、大きな膜面積が必要である。大きな膜面積を実現するには、１つの発酵槽に対して、複数の分離膜モジュールを使用することが有効である。例えば百ｍ3の発酵液をろ過する場合、発酵液のろ過性、分離膜モジュールの性能により最適数は変わるが、多い場合は数百本または数千本の複数の分離膜モジュールが用いられる。【０００７】
特許文献２では、分離膜を洗浄する効果を得るためにクロスフローろ過（cross-flow filtration）が採用されている。また、運転コスト削減の観点から、クロスフロー流量を削減できるように、分離膜モジュールが直列に配置されている（特許文献２）。【０００８】
飲料水製造、浄水処理、排水処理などの水処理分野でも、多量の水を処理するため、多くの分離膜モジュールを使用する。クロスフローろ過で分離膜モジュールを直列に配置して、中空糸膜の外側に原液を流しフラッシング洗浄する際の使用原液量および廃液処理量を削減する技術が開示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】日本国特開２００８−２３７１０１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／０８６７２０号
【特許文献３】日本国特開２００９−７２７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
複数の分離膜モジュールをクロスフローろ過に適用すると、分離膜モジュール数が多くなるほど、各モジュールに送液するクロスフロー流量の総量が多くなり、クロスフローの送液ポンプ動力コストが増える。また、クロスフロー送液配管径が大きくなると共に、計器類も含め設備費が増える。【００１１】
モジュールを直列に配置すると、並列で配置するよりも、クロスフロー流量の総量を削減することができ、送液設備の大型化も抑制できると考えられる。しかしながら、設備のさらなる簡素化が求められており、本発明は、そのような要求に応えることのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる課題を解決するため、本発明は以下のいずれかの構成を備える。【００１３】
（１）被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置であって、
複数の前記分離膜モジュールの非透過側を直列に接続することで、直列ユニットを形成する直列非透過液流路と、
複数の前記分離膜モジュールの透過側を並列に接続することで、並列ユニットを形成する並列透過液流路と、
を備えるろ過装置。【００１４】
（２）被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置であって、
複数の前記分離膜モジュールの非透過側を直列に接続することで、直列ユニットを形成する直列非透過液流路と
複数の前記分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールのろ過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御するろ過運転制御装置と、
を備えるろ過装置。【００１５】
（３）前記ろ過運転制御装置は、互いに異なる前記直列ユニットに含まれかつ同じ段に配置される複数の分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御する上記（２）に記載のろ過装置。【００１６】
（４）互いに異なる直列ユニットに属する複数の分離膜モジュールの透過側を並列に接続することで並列ユニットを形成するユニット横断並列流路をさらに備え、
前記ろ過運転制御装置は、前記ユニット横断並列流路上にあり、かつ、同じ並列ユニットに属する複数の分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールのろ過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御する上記（２）または（３）に記載のろ過装置。【００１７】
（５）前記並列透過液流路として、互いに異なる直列ユニットに属する複数の分離膜モジュール間を接続するユニット横断並列流路を少なくとも備え、
同じ並列ユニットに属する複数の分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールの透過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御し、かつ前記ユニット横断並列流路上にある、ろ過運転制御装置をさらに備える上記（１）に記載のろ過装置。【００１８】
（６）前記並列ユニットとして、第１並列ユニットと、前記第１並列ユニットに含まれる分離膜モジュールよりも後段に配置される第２並列ユニットと、を少なくとも備える上記（４）または（５）に記載のろ過装置。【００１９】
（７）前記ろ過運転制御装置は、互いに異なる並列ユニットに属する分離膜モジュール間でのろ過流量の差を低減するように、前記分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を制御する上記（４）〜（６）のいずれかに記載のろ過装置。【００２０】
（８）前記ろ過運転制御装置は、互いに異なる並列ユニットに属する分離膜モジュール間での膜間差圧の差を低減するように、前記分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を制御する上記（４）〜（６）のいずれかに記載のろ過装置。【００２１】
（９）前記並列透過液流路に接続され、逆圧洗浄用の洗浄液を供給する洗浄液供給部をさらに備える（５）に記載のろ過装置。【００２２】
（１０）複数の前記ろ過運転制御装置を備える、（２）〜（９）のいずれかに記載のろ過装置。【００２３】
（１１）前記分離膜モジュールの長手方向が、水平方向に対して垂直であるかまたは傾いている上記（１）〜（１０）のいずれかに記載のろ過装置。【００２４】
（１１）原料と、前記原料を発酵させて化学品を生成する細胞と、を含む発酵液を収容する発酵槽と、
前記発酵槽に接続され、前記分離膜モジュールにより前記発酵液をろ過して、細胞を含む非透過液と前記化学品を含有する透過液とに分離する上記（１）〜（１１）のいずれかに記載のろ過装置と、
前記非透過液を前記発酵槽に還流する流路と、を備える化学品の製造装置。【００２５】
（１３）分離膜モジュールの被ろ過液入口を介して直列に接続された２段以上の分離膜モジュールを有する複数の直列ユニットを備えるろ過装置の運転方法であって、
（ａ）前記分離膜モジュールによって、被ろ過液を透過液と非透過液とに分離するろ過を行う工程と、
（ｂ）互いに異なる前記直列ユニットに含まれる複数の分離膜モジュールから流出される透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールのろ過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御する工程と、
（ｃ）ろ過実行とろ過停止とを交互に繰り返す間欠ろ過を行う工程と、
を備え、
前記工程（ｃ）は、前記工程（ｂ）において透過液の圧力を一括で制御される複数の前記分離膜モジュールについて、一括して前記間欠ろ過を行うことを含むろ過装置の運転方法。【００２６】
（１４）前記ろ過装置の運転方法は、
（ｄ）ろ過停止中の分離膜モジュールを逆圧洗浄する工程をさらに備える上記（１３）に記載のろ過装置の運転方法。【００２７】
（１５）前記工程（ａ）は、
（ａ１）一部の分離膜モジュールにおいてろ過を停止する工程と、
（ａ２）前記ステップ（ａ１）によりろ過が停止された分離膜モジュール以外の分離膜モジュールのろ過を実行する工程と、を含む上記（１３）または（１４）に記載のろ過装置の運転方法。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ろ過装置において、複数の分離膜モジュールの透過液出口が互いに接続されるか、またはろ過装置が複数の分離膜モジュールから排出される透過液の圧力を一括制御するろ過運転制御装置を備えることで、複数の分離膜モジュール間で設備を共有することができる。よって、本発明によれば、分離膜モジュールの直列配置によるクロスフロー流量の低減と併せて、設備を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る連続発酵装置の概略図である。
【図２】図２は、第１実施形態にかかる間欠ろ過処理を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態に係る連続発酵装置の概略図である。
【図４】図４は、逆圧洗浄を行う機構を備える連続発酵装置の概略図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態にかかる間欠ろ過処理を説明するフローチャートである。
【図６】図６は、さらに他の実施形態に係る連続発酵装置の概略図である。
【図７】図７は、ろ過運転制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図８】図８は、ろ過運転制御動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、さらに他の実施形態に係る並列モジュールユニットの上部からみた概略図である。
【図１０】図１０は、分離膜モジュールを斜め配置した分離膜モジュールユニットの概略図である。
【図１１】図１１は、分離膜モジュールを斜め配置した分離膜モジュールユニットの概略図である。
【図１２】図１２は、分離膜モジュールを縦置き直列配置した分離膜モジュールユニットの概略図である。
【図１３】図１３は、分離膜モジュールを縦置き並列配置した分離膜モジュールユニットの概略図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の一形態にかかる分離膜モジュールの概略図である。
【図１５】図１５は、別の形態にかかる分離膜モジュールの概略図である。
【図１６】図１６は、さらに別の形態にかかる分離膜モジュールの概略図である。
【図１７】図１７は、さらに別の形態にかかる分離膜モジュールの概略図である。
【図１８】図１８は、さらに別の形態にかかる分離膜モジュールの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、例えば、飲料水製造、浄水処理、排水処理などの水処理分野、微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産を行う発酵分野、食品工業分野等様々な方面で、複数の分離膜モジュールを使用する際、適用することができる。ここでは、連続発酵装置を実施形態の例にあげて説明する。
【００３１】
Ｉ．化学品の製造装置
本発明の実施の形態について、連続発酵装置を例に図を用いて説明する。以下の連続発酵装置は、後述する化学品の製造方法を実行するための装置の一例である。よって、製造方法を実行するための装置の構成として製造方法の欄で言及される構成については、説明を省略することがある。
【００３２】
（１）第１実施形態
（１−１）化学品製造装置全体の構成
図１は、第１実施形態に係る連続発酵装置の概略図である。第１実施形態に係る連続発酵装置１０１（以下、単に「発酵装置」と称することがある。）は、発酵槽１と、温度制御装置３と、撹拌装置４と、ｐＨセンサ５と、レベルセンサ６と、気体供給装置７と、水供給ポンプ８と、培地供給ポンプ９と、ｐＨ調整剤供給ポンプ１０と、を備える。発酵装置１０１はさらに、ろ過装置２０１を備える。発酵槽１とろ過装置２０１とは、発酵槽内の発酵液をろ過装置２０１に送る送液ライン（送液流路）２０と、ろ過装置２０１から循環過液を発酵槽１に戻す還流ライン（還元流路）６０とで繋がれている。
【００３３】
発酵液は被ろ過液として分離膜モジュールに送られ、非透過液と透過液とに分離される。そこで、本書において、連続発酵装置内で、被ろ過液、非透過液、透過液が流れる流路および分離膜モジュール内の空間のうち、分離膜モジュール内の分離膜を境として、被透過液側を「非透過側」と呼び、透過液側を「透過側」と呼ぶ。
【００３４】
発酵槽１では、細胞および原料が投入される。発酵槽１内では、細胞による発酵によって、原料が化学品を含有する発酵液へと変換される。細胞および発酵の詳細については後述する。
【００３５】
温度制御装置３は、温度センサと、加熱部と、冷却部と、制御部とを備える。温度制御装置３は、温度センサによって検出された発酵槽１内の温度に基づいて、その温度が所定範囲内の値を示すように制御部によって加熱部及び冷却部の動作を制御する。こうして、発酵槽１の温度が一定に維持されることで、細胞濃度が高く維持される。
【００３６】
撹拌装置４は、発酵槽１内の発酵液を撹拌する。
【００３７】
ｐＨセンサ５は、発酵槽１内の発酵液のｐＨを検出する。図示しないｐＨ制御部は、ｐＨセンサ５の検出結果に基づいて、ｐＨ調整剤供給ポンプ１０の動作を制御することで、発酵槽１内の発酵液のｐＨを所定の範囲内に保つ。ｐＨ調整剤供給ポンプ１０は、ｐＨ調整剤槽に接続されており、ｐＨ調整剤を発酵槽１に供給する。ｐＨ調整剤槽内には、ｐＨ調整剤として、アルカリ性溶液または酸性溶液が収容されている。また２つ以上のｐＨ調整剤槽に接続されていてもよい。その場合、アルカリ性溶液および酸性溶液はそれぞれのｐＨ調整剤槽に収容されている。
【００３８】
レベルセンサ６は、発酵槽１における液面の高さを検出する。図示しないレベル制御部は、レベルセンサ６の検出結果に基づいて、発酵槽１内の液面の高さを所定の範囲内に維持するように、水供給ポンプ８、培地供給ポンプ９等、液体を発酵槽１に供給する機構の動作を制御する。
【００３９】
気体供給装置７は、気体供給口を介して、発酵槽１に気体を供給する。気体供給口は、発酵槽１に気体を直接供給するように配置されてもよいし、発酵液を分離膜モジュールに送るラインまたは分離膜モジュールに、気体を供給するように配置されてもよい。ラインまたは分離膜モジュールに気体が供給されることで、発酵液に酸素を溶解させると同時に、気体の剪断力により分離膜表面へ堆積した細胞等を除去することができる。
【００４０】
気体供給口が、送液ラインまたは分離膜モジュールに気体を供給する位置に設けられる場合、気体供給口は、分離膜モジュールの下部に設けられても良く、さらには、発酵槽１と、分離膜モジュールとを連通する配管（つまり流路）に設けられてもよい。循環ポンプ１１を用いて発酵槽１から分離膜モジュールまで発酵液を送液する際には、発酵液と循環ポンプ１１の間、または循環ポンプ１１と最前段の分離膜モジュールの間に気体供給口を設けることができる。
【００４１】
気体の供給ラインは、後述の直列ユニット毎に設置すれば、直列ユニット毎に、個別に気体の供給を行うことができる。また、間欠的に気体を供給し、気体の使用量を抑制することもできる。
【００４２】
気体供給装置７が供給する気体は、発酵槽１で好気性発酵が行われる場合は、酸素を含むことが好ましい。酸素を含む気体とは、純酸素でも良く、発酵に悪影響のない気体、例えば、空気、窒素、二酸化炭素、メタン、または前記した気体の混合気体などを酸素と混合することで、酸素の濃度が調整された気体でも良い。また、発酵槽１で嫌気性発酵が行われる場合などにおいて、酸素の供給速度を下げる必要があれば、気体供給装置７は、二酸化炭素、窒素、メタンおよびアルゴンなど、酸素を含まないガスと空気との混合ガスを供給することも可能である。
【００４３】
気体供給源は、気体を圧縮した後、一定な圧力で気体を供給することが可能な装置、または、気体が圧縮されていて、一定な圧力で気体を供給することが可能なタンクで良い。ガスボンベ、ブロアー、コンプレッサー、あるいは配管によって供給される圧縮ガスなどを使用することができる。
【００４４】
水供給ポンプ８は、発酵槽１に直接的に水を供給する。なお、水は、原料の供給およびｐＨ調整剤の添加等によっても、間接的に発酵槽１に供給可能である。また、分離膜モジュールの透過側から非透過側へ水を送液することで間接的に発酵槽１に供給されてもよい。分離膜モジュールの透過側から供給側へ水が送液されることで、発酵槽１に水が供給されると同時に、分離膜表面に堆積した細胞等を除去することができる。
【００４５】
連続発酵装置に添加される物質は、コンタミによる汚染を防止し、発酵を効率よく行うため、滅菌されていることが好ましい。例えば、原料となる培地は、調整後に加熱されることで滅菌されてもよい。また、培地、ｐＨ調整剤および発酵槽に添加される水は、必要に応じて、滅菌用フィルターを通すなどして無菌化されてもよい。
【００４６】
（１−２）ろ過装置
ろ過装置２０１は、複数の分離膜モジュールＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｄ１、Ｄ２およびＤ３と、循環ポンプ１１と、ろ過運転制御装置（制御部）５１、５２および５３とを主に備える。
【００４７】
（Ａ）分離膜モジュールの概要
分離膜モジュールは、被ろ過液からろ過液（つまり透過液）を分離することができればよく、その構造は本書で説明される具体例に限定されるものではない。
【００４８】
分離膜モジュールは、筐体と；筐体内に収容され、被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する分離膜と；筐体の外側から分離膜に被ろ過液を供給する被ろ過液入口と；透過液を筐体外に排出する透過液出口と、非透過液を筐体外に排出する非透過液出口と、を備える。被ろ過液入口および透過液出口は、筐体の長手方向における両端の近傍にそれぞれ設けられることが好ましい。筐体の長手方向とは、分離膜モジュールの長手方向と読み替えることができる。非透過液は、循環液として、発酵槽１に戻される。より詳細な構造については後述する。
【００４９】
（Ｂ）分離膜モジュールの配置
本実施形態では、分離膜モジュールＡ１、Ａ２およびＡ３は、発酵液の流れる方向において上流側からこの順に並べられている。分離膜モジュールＡ１、Ａ２およびＡ３の非透過側は、直列に接続されている。つまり、分離膜モジュールＡ１、Ａ２およびＡ３は、第１直列ユニットＳＵ１を形成している。分離膜モジュールＡ１、Ａ２およびＡ３はそれぞれ、１つの直列ユニットＳＵ１において、１段目、２段目、３段目に配置されている。
【００５０】
「分離膜モジュールの非透過側が直列に接続されている」とは、ある分離膜モジュールに供給された被ろ過液から得られた非透過液が、他の分離膜モジュールに被ろ過液として供給されるように、これら２つのモジュールが接続されていることを意味する。
【００５１】
具体的には、分離膜モジュールＡ１の非透過液出口とその後段の分離膜モジュールＡ２の被ろ過液入口とが、直列非透過液流路６１１で接続され、分離膜モジュールＡ２の非透過液出口とその後段の分離膜モジュールＡ３の被ろ過液入口とが直列非透過液流路６１２で接続される。
【００５２】
同様に、分離膜モジュールＢ１、Ｂ２およびＢ３も、非透過側において、直列に接続されることで第２直列ユニットＳＵ２を形成し、分離膜モジュールＣ１、Ｃ２およびＣ３も、非透過側において直列に接続されることで第３直列ユニットＳＵ３を形成し、Ｄ１、Ｄ２およびＤ３も、非透過側において直列に接続されることで第４直列ユニットＳＵ４を形成する。第２、第３および第４直列ユニット内の分離膜モジュールも、第１直列ユニットと同様に直列非透過液流路で接続されているが、これらのユニットの直列非透過液流路については、図示はするが、余白の都合上、符号を省略する。
【００５３】
このような直列ユニットの構成によれば、前段のモジュールで得られた非透過液は、後段のモジュールに被ろ過液として供給される。本書においては、ろ過装置内で、まだいずれの分離膜モジュールに入っていない発酵液、ある分離膜モジュールから流出して次の分離膜モジュールに到達するまでの非透過液、および最後段の分離膜モジュールから流出した非透過液を、まとめて「循環液」と称することがある。また、循環液は、「クロスフロー」とも称される。
【００５４】
本書において、１段目、２段目等の「段」とは、発酵槽１から供給される発酵液の流れる方向に沿って並んだモジュールの順番を指す。よって、第１直列ユニットＳＵ１における最上流のモジュールＡ１が１段目のモジュールであり、次のモジュールＡ２が２段目のモジュールである。
【００５５】
直列ユニットにおいては、前段の（上流の）モジュールが、後段の（下流の）モジュールより下に配置されていることが好ましい。「前段のモジュールが後段のモジュールよりも下に配置されている」とは、具体的には、前段のモジュールの上部が、後段のモジュールの下部よりも下方に配置されているか、または、前段のモジュールの非透過液出口が後段のモジュールの被ろ過液入口よりも下方に配置されていることを指す。
【００５６】
なお、同じ直列ユニットに属するモジュールが鉛直方向に沿って並んでいる必要はない。つまり、前段のモジュールの斜め上に後段のモジュールが配置されていてもよい。
【００５７】
図１の構成では、個々の分離膜モジュールは、被ろ過液入口が下に、非透過液出口が上になるように配置される。つまり、循環液は、それぞれの分離膜モジュールを下から上に登って、より上に配置された分離膜モジュールに送られる。すなわち、発酵液は、分離膜モジュールＡ１の下部にある被ろ過液入口から分離膜モジュールＡ１に供給される。分離膜モジュールＡ１の分離膜を透過しなかった非透過液は、分離膜モジュールＡ１内を上へと進み、モジュールＡ１の上部にある非透過液出口から、分離膜モジュールＡ２の下部にある被ろ過液入口へと送られる。モジュールＡ２およびＡ３内を、順に上った非透過液は、最終的には、最上段にある分離膜モジュールＡ３の非透過液出口から発酵槽に還流される。
【００５８】
第１−第４直列ユニット（第１−第４分離膜モジュール直列ユニット）（ＳＵ１−ＳＵ４）は、さらに並列に接続されている。つまり、発酵槽１から発酵液を取り出す配管、すなわち送液ライン２０から４本の配管（被ろ過液配管）２１、２２、２３、２４が分岐しており、この４本の配管がそれぞれ４つの直列ユニットの１段目の分離膜モジュールの被ろ過液入口に接続されている。そして、第１−第４直列ユニット（ＳＵ１−ＳＵ４）のそれぞれの最後段の分離膜モジュールから循環液を取り出す４つの配管（循環液配管）６１、６２、６３、６４は、発酵槽１に循環液を送り返す１つの配管、すなわち還流ライン６０に接続される。還流ライン６０には、バルブ１４１が配置される。
【００５９】
さらに、異なる直列ユニットにおいて、同じ段に配置された分離膜モジュールの透過側は、並列に接続されている。すなわち、各直列ユニットに於いて１段目に配置された分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１は、これらモジュールの透過液出口を介して、配管３１によって互いに並列に接続されることで、第１並列ユニットＰＵ１を形成する。同様に、２段目、３段目に配置された各４つの分離膜モジュールは、それぞれ配管３２および３３によって接続されることで、第２並列ユニットＰＵ２および第３並列ユニットＰＵ３を形成する。配管３１のように、分離膜モジュールの透過側を並列に接続する流路を並列透過液流路と呼び、特に、異なる直列ユニットに含まれる分離膜モジュールの透過側を並列に接続する流路を、ユニット横断並列流路と呼ぶことができる。
【００６０】
本形態のろ過装置は、並列流路としてユニット横断並列流路のみを備えるが、本発明はこれに限定されず、ろ過装置は、同じ直列ユニットのモジュールを接続する並列透過液流路を備えてもよい。
【００６１】
このように、複数の分離膜モジュールは３行４列のマトリックスを形成している。
【００６２】
循環ポンプ１１は、マトリックス状に配置された分離膜モジュールの上流に、つまり発酵槽１に接続された送液ライン２０上に配置される。循環ポンプ１１は、発酵槽１内の発酵液を、配管を介して分離膜モジュールに送る。分離膜モジュール内へ送られた発酵液の一部はモジュール内の分離膜によってろ過され、残りは循環液として配管６１、６２、６３、６４から還流ライン６０へ送液され、発酵槽へと戻る。このようにして、発酵液を発酵槽とろ過装置との間で循環させることによって、分離膜表面にクロスフロー流を発生させることができる。循環ポンプ１１は、クロスフロー流に、発酵槽から分離膜モジュールを通って再び発酵槽へ戻ることのできる力学的エネルギー（つまり圧力）を与える。この際、還流ライン６０上のバルブ１４１の開度が小さいほど通液抵抗が大きくなるので、与えられるエネルギーも高くなる。すなわち、バルブ１４１の開度が小さいほどバルブ１４１の非透過側のクロスフロー流の圧力は増加する。
【００６３】
マトリックスにおける各段には、つまり第１−第３並列ユニット（ＰＵ１−ＰＵ３）には、第１−第３ろ過運転制御装置（５１−５３）がそれぞれ設けられる。第１ろ過運転制御装置５１は、透過液流量センサ４１と、ろ過ポンプ１２１およびバルブ１３１と、制御部５０１とを備える。ろ過運転制御装置５２は、透過液流量センサ４２と、ろ過ポンプ１２２およびバルブ１３２と、制御部５０２とを備え、ろ過運転制御装置５３は、透過液流量センサ４３と、ろ過ポンプ１２３およびバルブ１３３と、制御部５０３とを備える。
【００６４】
透過液流量センサ４１は、図１では特に第１並列ユニットＰＵ１に含まれる分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１の透過液を並列に接続する配管３１上に配置される。他の透過液流量センサ４２、４３についても同様に、第２並列ユニットＰＵ２、第３並列ユニットＰＵ３に含まれる分離膜モジュールの透過液を並列に接続する配管３２および３３上にそれぞれ配置される。透過液流量センサはこのように、各並列ユニットに含まれる分離膜モジュールの透過側に接続される配管の液体の流量を検知できればよい。透過液流量センサとしては、例えば質量流量計、面積流量計、超音波流量計、差圧流量計、電磁流量計などが使用可能である。また、透過液を透過液配管から所定時間だけビーカーなどに採取し、重量または体積を測定することで単位時間あたりの量を算出し、流量計測の代替としてもよい。ただし、連続発酵装置に使用する場合、コンタミによる汚染を防止する為に配管内を加熱して蒸気滅菌を行うので、流量計は蒸気滅菌への耐久性を有するものが必要である。
【００６５】
透過液流量センサ４１−４３は、並列ユニットにおける分離膜モジュールの運転状況を検出するための検出部の１種に過ぎず、後述するように他の構成に置き換え可能である。
【００６６】
ろ過ポンプ１２１は、第１並列ユニットＰＵ１に含まれる分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１の透過液を並列に接続する配管３１上に配置されている。第２ろ過運転制御装置５２のろ過ポンプ１２２、第３ろ過運転制御装置５３のろ過ポンプ１２３も、それぞれ第２並列ユニットＰＵ２、第３並列ユニットＰＵ３に含まれる分離膜モジュールの透過液を並列に接続する配管３２および３３上に配置される。
【００６７】
ろ過制御バルブ１３１は、配管３１で、第１並列ユニットＰＵ１とろ過ポンプ１２１との間に配置される。他のろ過制御バルブについても同様に、ろ過制御バルブ１３２は、ライン３２上で、第２並列ユニットＰＵ２とろ過ポンプ１２２との間に配置され、ろ過制御バルブ１３３は、ライン３３上で、第３並列ユニットＰＵ３とろ過ポンプ１２３との間に配置される。
【００６８】
ろ過運転制御装置５１−５３は、各並列ユニット間でのろ過流量や膜間差圧の差異が小さくなるように、透過液圧力を制御する。制御の概略は以下のとおりである。制御の詳細については後述する。なお、膜間差圧とは、分離膜モジュールにおける被透過側の圧力と透過液の圧力との差である。
【００６９】
制御部５０１は、第１並列ユニットの配管３１に設けられた透過液流量センサ４１の出力結果に基づいて、ろ過ポンプ１２１の駆動力およびバルブ１３１の開度の少なくとも一方を制御することができる。こうして、制御部５０１は、第１並列ユニットＰＵ１に含まれる分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１の透過液の圧力を一括制御することができる。
【００７０】
ろ過運転制御装置５２および５３はそれぞれ、第２並列ユニットＰＵ２および第３並列ユニットＰＵ３に対応するように配置される。そして、ろ過運転制御装置５２および５３はそれぞれ、ろ過運転制御装置５１と同様に、透過液流量センサ４２および４３の出力結果に基づいて、第２並列ユニットＰＵ２および第３並列ユニットＰＵ３に含まれる分離膜モジュールの透過液圧力を一括制御する。
【００７１】
また、ろ過運転制御装置５１−５３は、バルブ１３１、１３２、１３３の開度で並列ユニットごとの制御を行い、３つのろ過ポンプ１２１−１２３を１つのポンプで代替することも可能である。その場合、ろ過ポンプは、３つの配管３１−３３がバルブ１３１−１３３の下流で並列に接続された配管上に配置される。
【００７２】
複数の分離膜モジュールの非透過側が直列に接続されることで、ろ過装置全体で循環する流量（クロスフロー流量）は低減される。また、直列配置された分離膜モジュール間で、送液ラインおよび計器等を共有することができるので、設備の簡素化が可能となる。
【００７３】
また、本実施形態のろ過装置では、分離膜モジュールを、透過液出口を介して並列に接続することで、透過液の流れる配管および透過液の流れを監視する計器等を共有し、設備のさらなる簡素化が可能となる。
【００７４】
さらに、本実施形態では、互いに異なる直列ユニットに含まれ、同じ段に配置された分離膜モジュールを接続している。同じ段に配置された分離膜モジュールの間では、被ろ過液の圧力差は小さいので、これらの分離膜モジュールの透過液出口が並列に接続されることで、複数の分離膜モジュールが透過液配管を共有しても、それらの分離膜モジュール間における膜間差圧の差は小さい。従って、膜間差圧の差による分離膜モジュール間におけるろ過量の不均等化は生じにくい。このように、複数の分離膜モジュール間で配管等の透過側の部材を共有する場合は、同等の非透過側圧力を示す分離膜モジュールの透過側を接続することが好ましい。以下に、詳細に、説明する。
【００７５】
分離膜モジュールの非透過側を直列に配置すると、分離膜モジュールおよび配管に由来する圧力損失によって、前段（クロスフロー流れにおいて上流側）の分離膜モジュールと後段（クロスフロー流れにおいて下流側）の分離膜モジュールとの間で非透過側の圧力に差が生じるので、膜間差圧に差が生じ、その結果、ろ過量に差が生じる。例えば、前段のモジュールに比べて、後段のモジュールでは、非透過側の圧力は小さくなる。つまり、後段のモジュールほど膜間差圧が小さくなり、ろ過量は小さくなる。
【００７６】
分離膜モジュールが全て新品の場合など、同一圧力条件下において同様にろ過量が得られる分離膜モジュール同士では、膜間差圧が小さい分離膜モジュールほどろ過量は小さくなる。
【００７７】
また、一部の分離膜モジュールの使用期間が長く、膜詰まりが進行している場合など、同一圧力条件下において同様のろ過量を得ることができない場合、該モジュールが後段に配置されるとろ過量はさらに減少する。
【００７８】
特に、クロスフロー流量が大きい場合、配管に由来する圧力損失は大きくなる。さらには、クロスフロー流量が大きい場合など、モジュール内でクロスフローが均等に流れるように、モジュール内に整流部材が配置されることがある。整流部材が設けられると、さらに圧力損失が大きくなる。
【００７９】
大きなろ過量を示す分離膜モジュールでは、より小さなろ過量を示す分離膜モジュールより、膜詰まりが発生しやすい。つまり、ろ過量に差があると、メンテナンスの負担が重くなる。
【００８０】
従って、直列配置された前段の分離膜モジュールと後段の分離膜モジュールとで、ろ過量の差を低減し、かつ安定的な運転を継続するためには、前段の分離膜モジュールと後段の分離膜モジュールとで、膜間差圧を同程度になるように調整することが好ましい。なお、クロスフロー流量に変化がない場合、非透過側の圧力の経時変化は小さく、透過側の圧力の経時変化の方が大きいので、透過側の圧力を調節することが望ましい。
【００８１】
ここで、複数の分離膜モジュールの透過液出口を並列に接続することで、これらの複数の分離膜モジュールの透過液圧力を一括して制御することが可能となる。透過液の圧力は、透過液が通る配管上のバルブの開度を変更することで経時的に調整が可能である。
【００８２】
また、直列配置の各段は、個別に透過液圧力を制御できるので、ろ過量も段毎に設定することが可能となる。つまり、前段と後段の分離膜モジュール間において被透過側の圧力に差があっても、透過側の圧力を昇／減圧してろ過量の差を低減することができる。また、膜間差圧の差を小さくするように運転することも可能となる。
【００８３】
特に、上述したように、圧力損失によって、前段の並列ユニットの膜間差圧の方が後段の並列ユニットの膜間差圧よりも大きくなる場合、後段の並列ユニットの透過液の圧力が、前段の並列ユニットの透過液圧力より低くなるように制御することで、段間におけるろ過量の差を減少させることができる。具体的には、後段のモジュールに接続されたろ過ポンプの駆動力を増加させることで、膜間差圧の差が低減される。つまり、前段と後段とのろ過流量が平均化される。また、後段のモジュールに接続されたろ過制御バルブの開度を上げたり、前段のモジュールに接続されたろ過制御バルブの開度を下げたりしてもよい。
【００８４】
なお、分離膜モジュールを直列に繋ぐ被ろ過液の流路に昇圧ポンプを配置するなど、構成が変更されれば、前段の並列ユニットの膜間差圧と後段の並列ユニットの膜間差圧との大小関係は逆転しうる。つまり、例えば、分離膜モジュールＡ２と分離膜モジュールＡ３との間、分離膜モジュールＢ２と分離膜モジュールＢ３との間、分離膜モジュールＣ２と分離膜モジュールＣ３との間、分離膜モジュールＤ２と分離膜モジュールＤ３との間の非透過液流路にそれぞれ昇圧ポンプが設けられた場合、これらの昇圧ポンプが稼働することで、後段のモジュールで生じる膜間差圧が、前段のモジュールで生じる膜間差圧よりも大きくなることがある。このような場合にも、例えば前段の並列ユニットに１つのろ過運転制御装置が設けられてもよい。このろ過運転制御装置は、１つの並列ユニットに含まれるモジュールのろ過量を、後段のモジュールとは別に一括制御することができる。こうして、前段と後段とにおけるろ過量の差を平均化することができる。
【００８５】
膜間差圧の制御は、他の手段で行うこともできる。例えば、被ろ過液側の送液ライン上にバルブ１４１などのバルブまたはオリフィスなどの通液抵抗を設置することにより、被ろ過液の圧力を上昇させることで、すべてのモジュールの膜間差圧を大きくすることもできる。また、透過側の配管に、各段でそれぞれ大きさの異なるオリフィスなどの通液抵抗を設置し、透過側圧力を減少させることで、各段の膜間差圧またはろ過量を平均化することもできる。
【００８６】
例えば、図１の装置で、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ１における各分離膜モジュールの透過側ラインで、または各分離膜モジュールの透過側ラインが合流した部分で、オリフィスなどの圧力損失を有する設備を設け、このオリフィスなどの圧力損失が分離膜モジュールＡ１および配管に由来する圧力損失と同様である場合、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ１とＰＵ２を同じろ過制御装置でろ過運転しても、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ１とＰＵ２の各分離膜モジュールの膜間差圧を同レベルでろ過運転することができる。
【００８７】
また、透過側のバルブが全開になった場合など、透過側での圧力調整が困難である場合は、前述のように還流ラインのバルブ１４１等を操作して、被ろ過液の圧力を調整することができる。
【００８８】
発酵槽１から分離膜モジュールへの発酵液の供給ラインである配管２０には、分離膜モジュールを経由しないで発酵槽１に発酵液を戻すバイパスが接続されていても良い。このようなバイパスラインを設けることで、ろ過性が悪化した場合などに分離膜モジュールの一部を停止する場合、停止する分離膜モジュールの分のクロスフローをバイパスによって流すことができるので、装置全体としての圧力変動を抑えることができる。
【００８９】
（１−３）ろ過運転制御装置
図７に、ろ過運転制御装置の機能ブロック図の一例を示す。図７に示すろ過運転制御装置５１は、１段目の並列ユニットＰＵ１に接続される制御装置の一例である。ろ過運転制御装置５１は、透過液流量センサ４１と、制御部５０１と、ろ過ポンプ１２１とを備える。制御部５０１は、入力部５０１ａと、判定部５０１ｂと、メモリ５０１ｃと、ポンプ制御部５０１ｄとを備える。
【００９０】
図８に、ろ過運転制御動作の一例を示すフローチャートを示す。判定部５０１ｂは、透過液流量センサ４１の出力結果に基づいて、ろ過ポンプ１２１の駆動の要否および駆動力を判定する。１段目の透過液流量を、基準となる設定流量に近づける場合は、判定部５０１ｂは、１段目の透過液流量センサ４１の検知結果と、基準となる設定流量との差を算出し、得られた差と所定値（閾値）との大小関係を判定する。メモリ５０１ｃには、基準となる設定流量と１段目の透過液流量との差に対応づけて、ろ過ポンプの駆動力が記憶されている。
【００９１】
ポンプ制御部５０１ｄは、判定部５０１ｂの比較結果およびメモリ５０１ｃの有する情報に基づいて、ろ過ポンプ１２１を制御する。例えば、ポンプ制御部５０１ｄは、基準となる設定流量より１段目の透過液流量が小さく、かつその差が所定量よりも大きければ、ポンプ制御部５０１ｄは、ろ過ポンプの駆動力を増大させる。また、基準となる設定流量よりも、１段目の透過液流量が大きく、かつその差が所定量よりも大きければ、ポンプ制御部５０１ｄは、ろ過ポンプの駆動力を低減する。また、１段目の透過液流量が、基準となる設定流量と同一か、異なっていても許容範囲内であれば、ポンプ制御部５０１ｄは、ろ過ポンプ１２１の駆動力を維持する。こうして、ろ過運転が制御される。
【００９２】
なお、判定の基準値として、メモリ５０１ｃに、あらかじめ圧力の上限値および下限値が格納されていてもよい。この場合は、上限値を超えたときに、判定部５０１ｂはろ過ポンプ１２１の駆動力を低下させる必要があると判定し、下限値を下回ったときに、判定部５０１ｂは、ろ過ポンプ１２１の駆動力を増加させる必要があると判定する。
【００９３】
なお、入力部５０１ａへの設定流量の入力は、作業者が判断して入力しても良いし、別の検出センサを用いた入力装置を設けて、入力部５０１ａへ設定値を出力させても良い。
【００９４】
各段に個別に設定される流量は、最小設定値に対する最大設定値の割合が好ましくは３倍以下、より好ましくは２倍以下、さらに好ましくは１．５倍以下となるように設定し、局所の分離膜モジュールに過負荷がかからないようにすることが好ましい。
【００９５】
各段を一括に制御する場合、大きな膜間差圧がかかっている分離膜モジュールでは、他の分離膜モジュールよりもろ過量が大きくなる傾向があり、より多くのろ過量を得ようとする。また、分離膜モジュールの直列段数が増えると、装置全体でのろ過量が増加するため、より多くのろ過量が局所のモジュールに集中することになり、モジュールの段数によっては、モジュールによって、ろ過量に５倍以上の差が出ることも想定される。
【００９６】
これに対して、本実施の形態は各段個別に制御するので、このような傾向を抑制し、安定的に運転することが可能となる。
【００９７】
また、透過液流量センサの代わりに透過液圧力センサを検出センサとして使用してろ過ポンプを駆動させるろ過運転制御装置を使用しても良い。
【００９８】
（２）第２実施形態
図３は、本発明の第２実施形態で使用する連続発酵装置の概略図である。本発明の第２実施形態に係る連続発酵装置１０２では、循環ポンプ１１から１段目の各分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１へ発酵液を送液する配管の長さがそれぞれ略均等に設定されている。また、最後段の分離膜モジュールＡ３、Ｂ３、Ｃ３およびＤ３から発酵槽１へと至る配管の長さも略均等になるように設定されている。連続発酵装置１０２はろ過装置２０２を備える。
【００９９】
具体的には、直列ユニットＳＵ１とＳＵ２とは非透過液流路において並列接続されており、かつ直列ユニットＳＵ３とＳＵ４との間で、非透過液流路においてが並列接続されている。つまり、発酵槽１から発酵液を分離膜モジュール群に送り出す送液ライン２０は、２本に枝分かれし、その一方がさらに２本に枝分かれして、直列ユニットＳＵ１、ＳＵ２最前段の分離膜モジュールＡ１およびＢ１に接続する。枝分かれした他方の配管も、さらに２本に枝分かれして、直列ユニットＳＵ３、ＳＵ４の最前段の分離膜モジュールＣ１およびＤ１に接続する。直列ユニットＳＵ１およびＳＵ２の最後段の分離膜モジュールＡ３およびＢ３は、この２つの分離膜モジュールから流出した非透過液が互いに合流するように、それぞれの非透過液出口を介して、並列に接続される。他の２つの直列ユニットＳＵ３およびＳＵ４についても、それぞれに属する最後段のモジュールは、非透過液出口を介して並列に接続される。
【０１００】
第１実施形態では、全ての直列ユニットＳＵ１−ＳＵ４の最前段および最後段の非透過側が互いに並列に接続されているのに対して、第２実施形態では、モジュール群全体において、モジュールおよび配管の配置が左右対称になるように、直列ユニットＳＵ１とＳＵ２とが対になり、直列ユニットＳＵ３とＳＵ４とが対になって配置される。
【０１０１】
（３）第３実施形態
図４に示す発酵装置１０３は、分離膜モジュールの逆圧洗浄を行う膜洗浄装置４０を備える以外は、第２実施形態にかかる連続発酵装置１０２と同様の構成を備える。発酵装置１０３はろ過装置２０３を備える。
【０１０２】
図４に示すように、膜洗浄装置４０は、洗浄液を貯蔵する洗浄液槽と、各並列ユニットに洗浄液を送る配管と、洗浄液ポンプ１４とを備える。また、並列ユニットに洗浄液を送る配管上には、洗浄液バルブ１５１、洗浄液バルブ１５２、洗浄液バルブ１５３がそれぞれ配置されている。
【０１０３】
洗浄液槽と、洗浄液ポンプ１４、ならびに洗浄液槽から分離膜モジュールまでの配管および洗浄液バルブ１５は、耐薬品性に優れるものであることが好ましい。逆圧洗浄液の注入は手動でも可能だが、制御部が、ろ過ポンプ１２１−１２３、ろ過制御バルブ１３１−１３３、洗浄液ポンプ１４および洗浄液バルブ１５１−１５３を、タイマーなどを利用して、自動的に行うことが好ましい。
【０１０４】
分離膜モジュールの非透過側が直列に接続されることで、ろ過装置全体で循環する流量（クロスフロー流量）は低減される。また、直列配置された分離膜モジュール間で、送液ラインおよび計器等を共有することができるので、設備の簡素化が可能となる。
【０１０５】
しかし、分離膜モジュールを直列に配置すると、第１実施形態で述べたように、段間でろ過量や膜間差圧に差が生じる。
【０１０６】
膜間差圧は、分離膜の透過側から非透過側へ洗浄液を送液する際に、洗浄液の流れに抵抗を与える。その抵抗は、膜間差圧の値が大きいほど大きくなる。従って、分離膜モジュール間で膜間差圧に差が生じると、モジュール間における洗浄液の流れやすさに差が生じることとなる。例えば、前段（原流体の流れにおいて上流側）のモジュールに比べて、後段（原流体の流れにおいて下流側）のモジュールの膜間差圧の方が小さい場合、後段のモジュールの方に洗浄液が流れやすくなり、前段のモジュールへの洗浄液の送液不良が生じ、前段モジュールの洗浄が不十分となることがある。また、洗浄液の供給流量は、ろ過流量よりも多い場合があり、その場合は抵抗が更に大きくなるので、モジュールによる洗浄液の供給量の偏りが顕著となる。
【０１０７】
従って、直列配置された分離膜モジュール間で、均等に洗浄液を送液するためには、それぞれ個別に制御することが好ましいと考えられる。しかしながら、このような個別の制御を行うためには、分離膜モジュール毎に制御装置を設ける必要があり、設備が大型化すると共に、設備費が増大する。
【０１０８】
これに対して、本実施形態のろ過装置では、互いに異なる直列ユニットに含まれる分離膜モジュールの透過側を並列に接続することで、透過液の配管および計器等を共有することができるので、設備のさらなる簡素化が可能となる。同じ段に配置された分離膜モジュールの間では、上述のように膜間差圧の差は小さいので、これらの分離膜モジュールが透過液配管を共有しても、分離膜モジュール間における洗浄液供給量の差を小さくすることができる。さらに、並列に接続された複数の分離膜モジュールの洗浄工程を一括して制御することが可能となる。
【０１０９】
なお、膜洗浄装置は、第１実施形態のろ過装置にも適用可能である。
【０１１０】
（４）第４実施形態
図６に示すように、本実施形態の発酵装置１０４は、１２本の分離膜モジュールを備えるろ過装置２０４およびろ過装置２０５を有する。ろ過装置２０４およびろ過装置２０５は、第３実施形態と同様に左右対称なマトリックスを形成するように配置された１２本の分離膜モジュールを含むモジュール群を２つ備え、２つのモジュール群は、最前段および最後段で、さらに並列に接続されている。言い換えると、発酵装置１０４は、第３実施形態とほぼ同様のろ過装置を２つ備える。
【０１１１】
ろ過装置２０４は、ろ過運転制御装置（制御部）５４、５５、５６と、ろ過ポンプ１６１、１６２、１６３と、ろ過制御バルブ１７１、１７２、１７３と、洗浄液バルブ１８１、１８２、１８３を備えている。さらにろ過装置２０４は、分離膜モジュールＥ１、Ｆ１、Ｇ１およびＨ１、分離膜モジュールＥ２、Ｆ２、Ｇ２およびＨ２、分離膜モジュールＥ３、Ｆ３、Ｇ３およびＨ３を備えている。
【０１１２】
また、各マトリックス配列中の同段のモジュールの透過液は並列接続されており、それぞれのマトリックスの段毎にろ過運転制御装置が設けられる。こうして、本形態では、ろ過装置全体で、モジュール配置は左右対称になっている。
【０１１３】
ＩＩ．化学品の製造方法および装置の動作
以下、本発明のろ過装置および発酵装置が利用される化学品の製造方法について説明する。
【０１１４】
１．発酵工程
本形態において、化学品の製造方法は、原料を細胞による発酵で化学品を含有する発酵液へと変換する発酵工程を含む。
【０１１５】
（Ａ）細胞
本実施形態において、「細胞」とは、微生物および培養細胞の総称である。
【０１１６】
化学品の製造において使用される微生物については特に制限はなく、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、および糸状菌等の真核細胞、大腸菌、乳酸菌、コリネ型細菌および放線菌などの原核細胞が挙げられる。また、培養細胞としては、動物細胞および昆虫細胞等が挙げられる。また、使用する微生物や培養細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。
【０１１７】
乳酸を製造する場合、真核細胞であれば酵母、原核細胞であれば乳酸菌を用いることが好ましい。このうち酵母は、乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子を細胞に導入した酵母が好ましい。このうち乳酸菌は、消費したグルコースに対して対糖収率として５０％以上の乳酸を産生する乳酸菌を用いることが好ましく、更に好ましくは対糖収率として８０％以上の乳酸菌であることが好適である。
【０１１８】
（Ｂ）原料
原料としては、培養する細胞の生育を促し、目的とする発酵生産物である化学品を良好に生産させ得るものであればよい。
【０１１９】
原料としては、液体培地が用いられる。培地中の成分であって、目的の化学品に変換される物質（すなわち狭義の原料）を原料と称することもあるが、本書では、特に区別しない場合には、培地全体を原料と称する。狭義の原料とは、例えば化学品としてアルコールを得るための発酵基質であるグルコース、フルクトース、ショ糖などの糖である。
【０１２０】
原料は、炭素源、窒素源、無機塩類、および必要に応じてアミノ酸やビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する。炭素源としては、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトースおよびラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリンなどが使用される。窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩およびマンガン塩等が添加されてもよい。
【０１２１】
細胞が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物が標品またはそれを含有する天然物として、原料に添加される。
【０１２２】
原料は、消泡剤を必要に応じて含有してもよい。
【０１２３】
（Ｃ）培養液
培養液とは、原料を含む培地において細胞が増殖した結果得られる液である。
【０１２４】
連続発酵においては、培養液に原料を追加することができるが、追加する原料の組成は、目的とする化学品の生産性が高くなるように、培養開始時の組成から適宜変更してもよい。例えば、狭義の原料の濃度、培地における他の成分の濃度等は、変更可能である。
【０１２５】
（Ｄ）発酵液
発酵液は、発酵の結果生じた物質を含有する液であり、原料、細胞、及び化学品を含有してもよい。つまり、文言「培養液」と「発酵液」とはほぼ同じ意味で用いられることがある。
【０１２６】
（Ｅ）化学品
上記の細胞によって、発酵液中に、化学品すなわち変換後の物質が生産される。化学品としては、例えば、アルコール、有機酸、アミノ酸および核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。例えば、アルコールとしては、エタノール、１、３−ブタンジオール、１、４−ブタンジオールおよびグリセロール等が挙げられる。また、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸およびクエン酸等を挙げることができ、核酸であればイノシン、グアノシンおよびシチジン等を挙げることができる。また、本発明の方法を、酵素、抗生物質および組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。
【０１２７】
また、本発明の製造方法は、化成品、乳製品、医薬品、食品または醸造品の製造に適用できる。ここで化成品としては、例えば、有機酸、アミノ酸および核酸が挙げられ、乳製品としては、例えば、低脂肪牛乳などが挙げられ、食品としては、例えば、乳酸飲料など、醸造品としては、例えば、ビール、焼酎が挙げられる。また、本発明の製造方法によって製造された、酵素、抗生物質、組み換えタンパク質等は、医薬品に適用可能である。
【０１２８】
（Ｆ）培養
連続発酵による化学品の製造では、培養初期にＢａｔｃｈ培養またはＦｅｄ−Ｂａｔｃｈ培養を行って、細胞濃度を高くした後に、連続発酵（つまり培養液の引き抜き）を開始しても良い。または、細胞濃度を高くした後に、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続発酵を行っても良い。連続発酵による化学品の製造では、適当な時期から原料培養液の供給および培養物の引き抜きを行うことが可能である。原料培養液供給と培養液の引き抜きの開始時期は必ずしも同じである必要はない。また、原料培養液の供給と培養液の引き抜きは連続的であってもよいし、間欠的であってもよい。
【０１２９】
培養液には菌体増殖に必要な栄養素を添加し、菌体増殖が連続的に行われるようにすればよい。培養液中の細胞の濃度は、培養液の環境が細胞の増殖にとって不適切となって死滅する比率が高くならない範囲で、高い状態で維持することが、効率よい生産性を得る上で好ましい態様である。培養液中の細胞の濃度は、一例として、乳酸菌を用いたＤ−乳酸発酵では、乾燥重量として、細胞濃度を５ｇ／Ｌ以上に維持することにより良好な生産効率が得られる。
【０１３０】
連続発酵による化学品の製造において、原料に糖類を使用する場合は、培養液中の糖類濃度は５ｇ／Ｌ以下に保持されることが好ましい。培養液中の糖類濃度を５ｇ／Ｌ以下に保持することが好ましい理由は、培養液の引き抜きによる糖類の流失を最小限にするためである。
【０１３１】
細胞の培養は、通常、ｐＨ３以上８以下、温度２０℃以上６０℃以下の範囲で行われる。培養液のｐＨは、無機の酸あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウムおよびアンモニアガスなどによって、通常、ｐＨ３以上８以下のあらかじめ定められた値に調節する。酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を２１％以上に保つ、培養液を加圧する、撹拌速度を上げる、あるいは通気量を上げるなどの手段を用いることができる。
【０１３２】
連続発酵の運転においては、発酵槽の細胞濃度をモニタリングすることが望ましい。細胞濃度の測定はサンプルを採取し、測定することでも可能だが、細胞発酵槽に、ＭＬＳＳ測定器など、細胞濃度センサを設置し、細胞濃度の変化状況を連続的にモニタリングすることが望ましい。
【０１３３】
連続発酵による化学品の製造では、必要に応じて、発酵槽内から培養液、細胞を引き抜くことができる。例えば、発酵槽内の細胞濃度が高くなりすぎると、分離膜の閉塞が発生しやすくなることから、引き抜くことで、閉塞から回避することができる。また、発酵槽内の細胞濃度によって化学品の生産性能が変化することがあるが、生産性能を指標として細胞を引き抜くことで、生産性能を維持させることも可能である。
【０１３４】
連続発酵による化学品の製造では、発酵槽の数は問わない。連続発酵による化学品の製造では、連続培養操作は、通常、培養管理上単一の発酵槽で行うことが好ましい。発酵槽の容量が小さい等の理由から、複数の発酵槽を用いることも可能である。この場合、配管によって並列または直列に接続された複数の発酵槽を用いて連続培養を行っても良い
【０１３５】
２．ろ過工程
（Ａ）ろ過工程全体
以下、図１に示す本実施形態にかかる連続発酵装置１０１におけるろ過工程について説明する。発酵生産物を含む発酵液は、分離膜モジュールによってろ過されることで細胞と発酵生産物に分離される。発酵生産物（つまり目的の化学品）を含む透過液は、回収されることで、発酵装置１０１外に取り出される。また、分離された細胞は、発酵槽１に戻されるので、発酵槽内の細胞濃度が高く維持される。その結果、生産性の高い発酵生産が可能となる。
【０１３６】
ろ過実行時には、ろ過制御バルブ１３１−１３３が開かれた状態で、循環ポンプ１１により全ての直列ユニットＳＵ１−ＳＵ４に発酵液が送られる。分離膜モジュールの非透過側に送られた発酵液は、透過液と非透過液とに分離される。透過液は分離膜モジュールの透過液出口から回収される。こうして、発酵生産物である化学品がろ過により回収される。
【０１３７】
また、分離膜モジュールに供給される発酵液の圧力を変動させても良い。循環ポンプ１１の吐出圧力を変動することにより局所的に乱流領域をつくることができ、クロスフローの発酵液の剪断力が増大し、分離膜表面に堆積した細胞等の堆積物を除くことができる。
【０１３８】
循環ポンプ１１の吐出圧力の変動は、連続的に変動させてもよい。通常、循環ポンプ１１の吐出圧力は、ほぼ一定で運転しているが、設定の時間のみ、制御バルブを操作することなどにより、設定した時間のみ変動させ断続的に変動させることもできる。
【０１３９】
循環ポンプ１１の吐出圧力の変動が大きいほど、堆積物の除去効果が大きく、また圧力変動が小さいほど、送液配管のハンチングによる接続部からの漏れが抑制される。そのため、循環ポンプ１１の圧力変動の大きさは、吐出圧力に対して、３％以上２０％以下であることが望ましい。
【０１４０】
また、クロスフロー循環の送液ライン、例えば、送液配管や、分離膜モジュールに同時に気体を供給することで、供給する発酵液中に気体を混入させることができ、発酵液中に混入した気体により剪断力を増加させることができる。これにより、分離膜表面から細胞等の堆積物を除去する効果をさらに増大させることができる。
【０１４１】
各分離膜モジュールから回収される濾液は、並列に配置した分離膜モジュールの段毎に配管を介して透過液回収部（図示せず）に送液される。一方、分離膜モジュールでろ過されなかった発酵液（非透過液）は、配管を介して発酵槽１に戻される。
【０１４２】
発酵液を分離膜モジュール中の分離膜でろ過処理する際の膜間差圧（つまり、ろ過の駆動力）は、培養細胞および培地成分が容易に目詰まりしない範囲に調整されることが好ましい。膜間差圧の範囲の具体例とは、例えば０．１ｋＰａ以上２００ｋＰａ以下であり、好ましくは０．１ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下の範囲であり、さらに好ましくは０．１ｋＰａ以上５ｋＰａ以下である。上記膜間差圧の範囲内であれば、細胞（特に原核細胞）および培地成分の目詰まり、並びにろ過量の低下が抑制される。その結果、連続発酵運転での不具合の発生が、効果的に抑制される。
【０１４３】
ろ過装置における各段の循環液の圧力について、具体例を挙げて説明する。この例では、分離膜モジュール１本のクロスフロー流れによる圧力損失が１００ｋＰａであり、循環ポンプ１１の送液圧が４００ｋＰａであり、循環ポンプ１１から直列１段目の分離膜モジュールの入口への送液配管の圧力損失が２０ｋＰａであり、直列３段目の分離膜モジュールの出口から発酵槽１への送液配管の圧力損失が５０ｋＰａであり、直列１段目から２段目および直列２段目から３段目の分離膜モジュールの送液配管の圧力損失が１０ｋＰａである。この例において、分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１の入り口での循環液の圧力は、循環ポンプ１１から分離膜モジュールまでの送液配管の圧力損失分だけ少なくなり、３８０ｋＰａとなる。
【０１４４】
分離膜モジュールＡ２、Ｂ２、Ｃ２およびＤ２の入り口での循環液の圧力は、さらに直列１段目の分離膜モジュールおよび送液配管の圧力損失分だけ少なくなり、２７０ｋＰａとなる。
【０１４５】
分離膜モジュールＡ３、Ｂ３、Ｃ３およびＤ３の入り口での循環液の圧力は、さらに直列２段目の分離膜モジュールおよび送液配管の圧力損失分だけ少なくなり、１６０ｋＰａとなる。
【０１４６】
分離膜モジュールＡ３、Ｂ３、Ｃ３およびＤ３の出口での被ろ過液の圧力は、さらに直列３段目の分離膜モジュールの圧力損失分だけ少なくなり、６０ｋＰａとなる。
分離膜モジュールの個体差や送液配管の違いにより、若干の違いが生じる可能性があるが、ろ過に必要な膜間差圧は数〜２００ｋＰａ程度である。つまり、ここで述べたような構成であれば、循環ポンプ１１の駆動によって、分離膜モジュールの各段でろ過に必要な圧力を確保することが可能である。
【０１４７】
また、このような直列に配置された分離膜モジュール間の透過液の流れを一括制御すると、上述の通り、循環液の圧力の差分の膜間差圧の差が生じることとなる。つまり、この例においては最下段の分離膜モジュール下部と、最上段の分離膜モジュール上部とにおいて、３２０ｋＰａの差が生じる。透過液圧力が０ｋＰａの場合、最下段の分離膜モジュール下部では膜間差圧は３８０ｋＰａとなり、最上段の分離膜モジュール上部では６０ｋＰａとなり、比較すると約６倍の差が生じ、分離膜の特性にもよるが膜間差圧とろ過量が比例の関係にある場合ならば、ろ過量も約６倍の差が生じると考えられ、最下段の分離膜モジュールに過負荷がかかる。
また、膜間差圧は数〜２００ｋＰａの範囲にすることが望ましく、膜間差圧が３８０ｋＰａの場合は目詰まりが急速に進むため、透過液圧力を昇圧させて膜間差圧を低下させる必要があるが、透過液圧力が高くなると最上段の膜間差圧は更に小さくなり、分離膜モジュール間のろ過量の差は更に大きくなる。
【０１４８】
ろ過に必要な駆動力を得る他の手段については、後述する。
【０１４９】
（Ｂ）間欠ろ過
クロスフローの流れの剪断力により分離膜表面の堆積物を除去することができる。ろ過処理とろ過停止処理とを交互に繰り返す間欠ろ過を行い、特にろ過を停止するろ過停止処理時にクロスフローの流れの剪断力を大きくすることにより分離膜表面の堆積物を除去することが好ましい。
【０１５０】
例えば９分間のろ過処理と１分間のろ過停止処理とを繰り返し行なう間欠ろ過において、ろ過時の９分間は、ろ過で発酵液が減量した分、発酵槽に原料が添加されるが、ろ過停止時の１分間は、循環ポンプ１１により発酵液が全量発酵槽１に還流され、発酵液は減量しないので、発酵槽に原料は添加されない。連続発酵装置１０１において、全ての分離膜モジュールについて、同じタイミングで９分間のろ過処理と、１分間のろ過停止処理を行うと、ろ過を行う際は原料が添加されるが、ろ過停止処理の際は原料が添加されない。原料の添加が間欠的になると、発酵槽１中の原料濃度が安定せず、そのため安定した発酵が困難となる懸念がある。そのため、本実施形態においては、分離膜モジュールの各並列ユニットについて、同時にろ過停止せず、各段のろ過停止処理が重複しないよう制御して、ろ過量が均等化するように調整することが好ましい。
【０１５１】
なお、連続発酵を例に挙げて詳細に説明したが、本実施形態のように、ろ過量の変化を小さく抑えることは、他の用途においても有用である。
【０１５２】
図２を参照して、第１実施形態にかかる間欠ろ過処理を説明する。図２は、第１実施形態にかかる間欠ろ過処理を説明するフローチャートである。第１実施形態において、間欠ろ過処理する場合、分離膜モジュールの各並列ユニットについて、ろ過停止処理のタイミングを制御して間欠ろ過処理を行うことが好ましい。
【０１５３】
第１実施形態において、ろ過停止処置のタイミングを制御するとは、例えば、少なくとも１段の並列ユニットのろ過停止処理を、他の並列ユニットのろ過処理中に行うことを意味し、好ましくは、各並列ユニットのろ過停止処理が重複しないよう制御する。各並列ユニットのろ過停止処理が重複しないように間欠ろ過する場合、まず、全ての分離膜モジュールでろ過処理を行う（ステップＳ１）。全ての分離膜モジュールでろ過処理を行うためには、ろ過制御バルブ１３１、１３２および１３３を開とし、ろ過ポンプ１２１、１２２および１２３を運転するとともに、循環ポンプ１１により分離膜モジュールの各直列ユニット（ＳＵ１−ＳＵ４）に発酵液を供給することによりろ過される。なお、以下の全ての工程において、分離膜モジュールでろ過されなかった発酵液は、発酵槽１にクロスフローされている。
【０１５４】
所定時間経過後（例えば２分後）、第１並列ユニットＰＵ１をろ過停止処理する（ステップＳ２）。第１並列ユニットＰＵ１をろ過停止処理し、かつその他の段の並列ユニットをろ過処理する場合、ろ過制御バルブ１３２および１３３を開、１３１を閉とし、ろ過ポンプ１２２および１２３を運転、１２１を停止するとともに、循環ポンプ１１により分離膜モジュールに発酵液を供給することにより、第２、第３並列ユニットＰＵ２、ＰＵ３でろ過される。第１並列ユニットＰＵ１では、ろ過停止処理となり、分離膜モジュール内でクロスフローされる発酵液により膜の堆積物を除去している。
【０１５５】
所定時間経過後（例えば１分後）、第１並列ユニットＰＵ１のろ過停止処理を終了して、直列に配置した全ての段の分離膜モジュールでろ過処理を行う（ステップＳ３）。ろ過制御バルブ１３１を開に切替え、ろ過ポンプ１２１を運転することにより全ての段の分離膜モジュールでろ過処理される。
【０１５６】
所定時間経過後（例えば２分後）、第２並列ユニットＰＵ２をろ過停止処理する（ステップＳ４）。第２並列ユニットＰＵ２をろ過停止処理し、かつ他の段の並列ユニットでろ過処理する場合、ろ過制御バルブ１３２を閉に切替え、ろ過ポンプ１２２を停止することにより、第１、第３並列ユニットＰＵ１、ＰＵ３でろ過され、第２並列ユニットＰＵ２では、ろ過停止処理となる。分離膜モジュール内では、クロスフローされる発酵液により膜の堆積物を除去している。
【０１５７】
所定時間経過後（例えば１分後）、第２並列ユニットＰＵ２のろ過停止処理を終了して、全ての段の分離膜モジュールでろ過処理を行う（ステップＳ５）。ろ過制御バルブ１３２を開に切替え、ろ過ポンプ１２２を運転することによりすべての段の分離膜モジュールでろ過処理される。
【０１５８】
所定時間経過後（例えば２分後）、第３並列ユニットＰＵ３をろ過停止処理する（ステップＳ６）。第３並列ユニットＰＵ３をろ過停止処理し、かつ他の段の並列ユニットをろ過処理する場合、ろ過制御バルブ１３３を閉に切替え、ろ過ポンプ１２３を停止することにより、第１、第２並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２でろ過され、分第３並列ユニットＰＵ３では、ろ過停止処理となる。分離膜モジュール内では、クロスフローされる発酵液により膜の堆積物を除去している。
【０１５９】
このような間欠ろ過処理を繰り返すことで、各並列ユニットのろ過停止処理が重複しないよう制御することができる。
【０１６０】
なお、循環ポンプ１１によるクロスフローの流れの剪断力により、分離膜モジュールの膜表面の汚れを除去することが期待できることから、ろ過停止でもクロスフローの流れがあることが好ましい。
【０１６１】
図６の装置で、ろ過装置２０４の全ての分離膜モジュールをろ過停止し、一方で、ろ過装置２０５の全て、または一部の分離膜モジュールをろ過継続することは可能である。ただし、分離膜モジュール並列ユニット毎に、ろ過停止処理を行う方が、ろ過量の変動としては少なく好ましい。
【０１６２】
３．洗浄工程
（Ａ）洗浄工程概要
化学品の製造方法は、分離膜の洗浄工程を含んでいてもよい。洗浄工程は、具体的な方法に限定されるものではないが、ろ過処理とろ過停止処理を繰り返す間欠ろ過処理により分離膜の非透過側の表面において、クロスフローの剪断力により、分離膜上の細胞等の堆積物を除去するほか、洗浄液を非透過側から透過側へ通液する洗浄（順洗）またはろ過を停止して、分離膜の透過側から非透過側へ洗浄液を通液する洗浄（逆圧洗浄）または逆圧洗浄液で浸漬することで、分離膜を洗浄することが好ましい。複数の分離膜モジュールを使用し、間欠ろ過処理を行う場合、並列または直列に配置した複数の分離膜モジュールのろ過停止処理が重複しないように制御して、ろ過が全停止しないようにすることが好ましい。
【０１６３】
ろ過を停止して分離膜を洗浄する際、同時に連続的または間欠的に、気体をモジュールへ供給しても良い。なお、分離膜を逆圧洗浄する際、クロスフローの流れは有り／無しの何れでも良い。クロスフローの流れが有り、逆圧洗浄する場合は、クロスフローの圧力と分離膜間差圧の総和より大きい圧力にて逆圧洗浄をすれば良い。
【０１６４】
（Ｂ）逆圧洗浄
ここで、逆圧洗浄とは、分離膜の透過側から、被非透過側である発酵液側へ洗浄液を送ることにより、膜面の汚れ物質を除去する方法である。逆圧洗浄は、水、または洗浄液により行うことができる。洗浄液には、発酵に大きく阻害しない範囲で、アルカリ、酸、酸化剤または還元剤を含む水を使用することができる。発明の効果を阻害しない範囲の洗浄液とは、例えば次亜塩素酸ナトリウムの場合は、有効塩素濃度が１０〜５０００ｐｐｍの洗浄液を使用することが好ましく、例えば水酸化ナトリウムおよび水酸化カルシウムは、ｐＨが１０〜１３の洗浄液を使用することが好ましい。この範囲を超える濃度では分離膜の損傷、細胞への悪影響が考えられ、これ未満の濃度では、膜洗浄効果の低下が懸念される。
【０１６５】
ここで、アルカリの例としては、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウムなどを挙げることができる。酸の例としては、シュウ酸、クエン酸、塩酸、硝酸などを挙げることができる。また酸化剤の例としては、次亜塩素酸塩、過酸化水素などを挙げることができる。還元剤の例としては、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウムなどの無機系還元剤などを挙げることができる。また、この逆圧洗浄液は高温で使用することもできる。
【０１６６】
逆圧洗浄では、分離膜の透過側から非透過側に洗浄液を透過させるため、洗浄液は固形物を含まないことが好ましい。例えば、水酸化カルシウムは約０．０１Ｎより濃い濃度では、水酸化カルシウムが溶解せずに固体として存在するため、逆圧洗浄液としては適さない。
【０１６７】
また、発酵液のｐＨが一時的にでも適正範囲を外れれば、その期間の発酵成績が低下し、また細胞の活性が低下する懸念がある。そのため、逆圧洗浄にアルカリや酸を添加する場合は、発酵液のｐＨを適正な範囲に制御するため、別にｐＨ調整の制御装置を持つことが必要である。
【０１６８】
なお、逆圧洗浄は、分離膜の膜間差圧の経時的な上昇を抑制するのに行うため、適当な時間間隔で周期的に行うことが好ましい。逆圧洗浄周期は、膜間差圧および膜間差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄周期は、時間あたり０．５回以上１２回以下の範囲であり、より好ましくは時間あたり１回以上６回以下の範囲である。逆圧洗浄周期がこの範囲より多いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、ろ過を行う時間が短くなる。またこの範囲より少ないと、洗浄効果が充分に得られないことがある。
【０１６９】
なお、逆圧洗浄液の逆圧洗浄速度は、膜ろ過速度の０．５倍以上１０倍以下の範囲が好ましく、１倍以上５倍以下の範囲であることがより好ましい。逆圧洗浄速度が膜ろ過速度の１０倍以下であることで、分離膜に損傷を与える可能性を低減し、また０．５倍以上であることで洗浄効果を充分に得ることができる。
【０１７０】
逆圧洗浄液の逆圧洗浄時間は、逆圧洗浄周期、膜間差圧および膜間差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄時間は、１回あたり５秒以上３００秒以下の範囲であり、より好ましくは１回あたり３０秒以上１２０秒以下の範囲である。逆圧洗浄時間がこの範囲より長いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、またこの範囲より短いと、洗浄効果が充分に得られないことがある。
【０１７１】
（Ｃ）複数系列の直列モジュールでの膜洗浄方法
マトリックス状に配置された複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置において、第３および第４実施形態のように、１つの並列ユニットに対して１つの洗浄液バルブが設けられている場合は、個々の段を別々に洗浄することができる。また、１つの並列ユニットに対して２つ以上の洗浄液バルブが設けられている場合は、１つの並列ユニットに含まれる複数の分離膜モジュールを２つ以上のグループに分けて洗浄することができる。
【０１７２】
なお、膜の浸漬洗浄を行う場合は、洗浄対象となる分離膜モジュールについて、クロスフローろ過を一旦中断し、例えば並列ユニット毎に洗浄液を膜に供給し、膜を浸漬洗浄することもできる。
【０１７３】
第３実施形態の発酵装置１０３における逆圧洗浄について説明する。
【０１７４】
ろ過停止時に逆圧洗浄を行う場合、例えば、ろ過時の９分間は、ろ過で発酵液が減量した分、発酵槽に原料が添加されるが、ろ過停止時に逆圧洗浄する１分間は、逆圧洗浄の洗浄液が発酵槽１に流入するため、発酵槽１の発酵液量が増加する。発酵槽１の液量が設定値を超える場合は、逆圧洗浄液の増加分が解消されるまで、発酵槽１に原料は添加されない。複数の分離膜モジュールが、全て同じタイミングで９分間ろ過と１分ろ過停止・逆圧洗浄とを繰り返す場合、原料の添加が間欠的となり、発酵槽１中の原料濃度が安定せず、そのため安定した発酵が困難となる懸念がある。そのため、分離膜モジュールの各段について、同時に逆圧洗浄しないようにタイミングをずらして、ろ過量が均等化するように調整することが有効である。
【０１７５】
図５を参照して、本第３実施形態において、ろ過停止処理中に逆圧洗浄を行う場合の間欠ろ過処理を説明する。図５は、本発明の第３実施形態にかかる間欠ろ過処理を説明するフローチャートである。直列に配置された分離膜モジュールをろ過停止中に逆圧洗浄する場合、直列に配置された分離膜モジュールの各段の逆圧洗浄のタイミングを制御して間欠ろ過処理を行うことが好ましい。第３実施形態において逆圧洗浄のタイミングを制御するとは、例えば、直列に配置された分離膜モジュールの少なくとも１段の逆圧洗浄処理を、他の段の分離膜モジュールのろ過処理中に行うことを意味し、好ましくは、直列に配置された分離膜モジュールの各段の逆圧洗浄処理が重複しないように制御する。直列に配置された分離膜モジュールの各段の逆圧洗浄処理が重複しないように間欠ろ過する場合、まず、全ての分離膜モジュールでろ過処理を行う（ステップＳ１１）。
【０１７６】
全ての分離膜モジュールでろ過処理を行うためには、ろ過制御バルブ１３１、１３２および１３３を開とし、ろ過ポンプ１２１、１２２および１２３を運転するとともに、循環ポンプ１１により分離膜モジュールに発酵液を供給することによりろ過される。なお、以下のすべての工程において、直列に配置された分離膜モジュールでろ過されなかった発酵液は、発酵槽１に還流されている。
【０１７７】
所定時間経過後（例えば２分後）、第１並列ユニットＰＵ１を逆圧洗浄処理する（ステップＳ１２）。第１並列ユニットＰＵ１を逆圧洗浄処理し、かつその他の並列ユニットをろ過処理する場合、ろ過制御バルブ１３２および１３３を開、１３１を閉とし、ろ過ポンプ１２２および１２３を運転、１２１を停止するとともに、循環ポンプ１１により各直列ユニットＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３およびＳＵ４に発酵液を供給する。
【０１７８】
さらに洗浄液バルブ１５２および１５３を閉、１５１を開とし、洗浄液ポンプ１４を運転することで、第２、第３並列ユニットＰＵ２、ＰＵ３がろ過、第１並列ユニットＰＵ１が逆圧洗浄となる。第１並列ユニットＰＵ１では、洗浄液ポンプ１４により洗浄液が第１並列ユニットＰＵ１の透過液側に供給され、洗浄液が非透過側にろ過されることにより膜の堆積物を除去している。
【０１７９】
所定時間経過後（例えば１分後）、第１並列ユニットＰＵ１の逆圧洗浄処理を終了して、全ての分離膜モジュールでろ過処理を行う（ステップＳ１３）。洗浄液バルブ１５１を閉に切替え、洗浄液ポンプ１４を停止するとともに、ろ過制御バルブ１３１を開に切替え、ろ過ポンプ１２１を運転することにより全ての分離膜モジュールでろ過処理される。
【０１８０】
所定時間経過後（例えば２分後）、第２並列ユニットＰＵ２を逆圧洗浄処理する（ステップＳ１４）。第２並列ユニットＰＵ２を逆圧洗浄処理し、かつその他の段をろ過処理する場合、ろ過制御バルブ１３２を閉に切替え、ろ過ポンプ１２２を停止するとともに、洗浄液バルブ１５２を開に切替え、洗浄液ポンプ１４を運転することで直列に配置された第１、第３並列ユニットＰＵ１、ＰＵ３がろ過、第２並列ユニットＰＵ２が逆圧洗浄となる。第２並列ユニットＰＵ２では、洗浄液ポンプ１４により洗浄液が第２並列ユニットＰＵ２の透過液側に供給され、洗浄液が非透過側にろ過されることにより膜の堆積物を除去している。
【０１８１】
所定時間経過後（例えば１分後）、第２並列ユニットＰＵ２の逆圧洗浄処理を終了して、全ての分離膜モジュールでろ過処理を行う（ステップＳ１５）。洗浄液バルブ１５２を閉に切替え、洗浄液ポンプ１４を停止するとともに、ろ過制御バルブ１３２を開に切替え、ろ過ポンプ１２２を運転することによって、全ての分離膜モジュールでろ過処理される。
【０１８２】
所定時間経過後（例えば２分後）、第３並列ユニットＰＵ３を逆圧洗浄処理する（ステップＳ１６）。第３並列ユニットＰＵ３を逆圧洗浄処理し、かつその他の段をろ過処理する場合、ろ過制御バルブ１３３を閉に切替え、ろ過ポンプ１２３を停止するとともに、洗浄液バルブ１５３を開に切替え、洗浄液ポンプ１４を運転することで第１、第２並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２がろ過、第３並列ユニットＰＵ３が逆圧洗浄となる。第３並列ユニットＰＵ３では、洗浄液ポンプ１４により洗浄液が第３並列ユニットＰＵ３の透過液側に供給され、洗浄液が非透過側にろ過されることにより膜の堆積物を除去している。
【０１８３】
このような間欠ろ過処理を繰り返すことで、分離膜モジュールの各並列ユニットの逆圧洗浄処理が重複しないよう制御することができる。
【０１８４】
上記において、間欠ろ過処理のろ過停止処理中に膜の逆圧洗浄を行う場合について説明したが、間欠ろ過処理の全てのろ過停止処理中に逆圧洗浄を行う必要はなく、分離膜の閉塞を防止することができれば、ろ過停止処理の一部でのみ逆圧洗浄を行うこととしてもよい。例えば、図２に示す間欠ろ過処理１（直列に配置された分離膜モジュールの各段のろ過停止処理を重複しないように制御）と、図５に示す間欠ろ過処理２（直列に配置された分離膜モジュールの各段の逆圧洗浄処理を重複しないように制御）とを交互に繰り替えしてもよく、または間欠ろ過処理１を２回連続し、その後間欠ろ過処理２を１回等、を繰り返し行ってもよく、分離膜モジュールの性能や、ろ過処理対象、ろ過処理量等のろ過条件等を考慮して決定すればよい。あるいは、間欠ろ過処理のろ過停止処理中には逆圧洗浄を行わずに、別工程で逆圧洗浄を行い、分離膜モジュールの逆圧洗浄工程を重複しないよう制御すればよい。
【０１８５】
本第２実施形態では、上記のようにして分離膜モジュールのろ過停止処理や逆圧洗浄処理のタイミングを分散させるよう制御することにより、発酵液量の変動や培地供給量の変動が少なくなるため、安定的に発酵を行うことができ、かつ化学品を高い回収率で回収することができる。
【０１８６】
間欠ろ過と同様、分離膜モジュールを、直列ユニット毎ではなく、並列ユニット毎に逆圧洗浄することで、並列ユニット内の分離膜モジュール間で逆圧洗浄に関わる設備を共有できるので、設備費を低減することができる。
（Ｄ）浸漬洗浄
また逆圧洗浄をする際に、一旦ろ過を停止し、逆圧洗浄液で分離膜を浸漬することができる。浸漬時間は、浸漬洗浄周期、膜間差圧および膜間差圧の変化により決定することができる。浸漬時間は、好ましくは１回あたり１分以上２４時間以下、より好ましくは１回あたり１０分以上１２時間以下の範囲である。
【０１８７】
連続発酵装置においては、分離膜を複数系列とし、分離膜を逆圧洗浄液で浸漬洗浄する際に、一部の系列のみを浸漬洗浄するように切り替えて、ろ過が全停止しないようにすることも好ましく採用できる。
【０１８８】
４．ろ過運転制御
図１、図７および図８を参照して、第１実施形態におけるろ過運転制御動作の具体例について説明する。なお、本動作は、本書で説明する全ての実施形態に係るろ過装置に適用可能である。
【０１８９】
図８は、ろ過装置２０１におけるろ過運転制御動作の一例の流れを説明するフローチャートである。図８では、作業者が各段の基準となる設定値を制御装置に入力することが前提である。ただし、設定値は前述の通り、各段によってろ過流量に偏りが生じないように設定する。
【０１９０】
ろ過運転制御装置は、各段のろ過流量を、設定値のろ過流量に近づけるように制御する。また、図１に示すろ過運転制御装置５１−５３は、いずれも、図７と同様の機能ブロックを備え、メモリ５０１ｃに相当する記憶装置に、設定値の透過液流量と、各段の透過液流量との差に対応付けられて、透過液圧力をどれだけ増減させるか（ろ過ポンプの駆動力の大きさ）が記憶されている。
【０１９１】
まず、入力部５０１aにより、１段目の透過液設定流量Ｆ０_１が読み取られる（ステップＳ２１、Ｓ２２）。透過液設定流量Ｆ０_１は、制御部５０１のメモリ５０１cに一旦格納される。
【０１９２】
次に、制御部５０１により１段目の透過液流量センサの出力値Ｆ１が読み取られる（ステップＳ２３）。そして、出力値Ｆ１もメモリ５０１ｃに一旦格納される。所定の時間（例えば１分間）、Ｆ１の読み取りを繰り返す（ステップＳ２４でＮｏ、ステップＳ２３）。所定時間経過後、格納された出力値Ｆ１の平均値Ｆ１_ａｖｅが算出され、メモリ５０１ｃに格納される（ステップＳ２４でＹｅｓ、ステップＳ２５）。判定部５０１ｂは、メモリ５０１ｃから１段目の設定圧力Ｆ０_１および流量平均値Ｆ１_ａｖｅを読み取って、圧力差（Ｆ０_１−Ｆ１_ａｖｅ）を算出し、さらに算出結果と閾値αとを比較する。
【０１９３】
α＜（Ｆ０_１−Ｆ１_ａｖｅ）であれば（ステップＳ２６でＹｅｓ）、ポンプ制御部５０１ｄは１段目のろ過ポンプ１２１の駆動力を増加させる（ステップＳ２７）。また、−α≦（Ｆ０_１−Ｆ１_ａｖｅ）≦αであれば（ステップＳ２６でＮｏ、ステップＳ３０でＹｅｓ）、１段目のろ過ポンプ１２１の駆動力を維持する（ステップＳ３１）。また、（Ｆ０_１−Ｆ１_ａｖｅ）＜−αであれば、ろ過ポンプ１２１の駆動力を低減する（ステップＳ２６でＮｏ、ステップＳ３０でＮｏ、ステップＳ３２）。このとき、ろ過ポンプの駆動力の変更量は、（Ｆ０_１−Ｆ１_ａｖｅ）の値に応じて、いくつかの段階に分けてメモリ５０１cに記憶されていればよい。
【０１９４】
こうして、１段目の分離膜モジュールのろ過運転制御が完了するので、次に２段目の制御が行われる（ステップＳ２８、ステップＳ２９でＮｏ、Ｓ２２）。
【０１９５】
３段目の制御が完了すると、一連の制御動作は終了する（ステップＳ２７でＹｅｓ、エンド）。
【０１９６】
閾値αは、設定流量の１０％以下が好ましく、より好ましくは設定流量の５％以下、さらには設定流量の１％以下であることが好ましい。
【０１９７】
このろ過運転制御動作を行うタイミングは特に限定されない。例えば、ろ過装置の使用開始時、運転期間が所定期間に達したときなどに、この制御動作が行われてもよい。工程管理の観点からは、より頻繁に上述の制御動作をすることが好ましい。例えば、工程管理を行う作業者が１日に１回制御動作を行ってもよいし、シーケンスで自動制御を行ない、１０分毎に制御動作を行ってもよい。
【０１９８】
なお、透過液の圧力の制御は、ろ過ポンプの駆動力を調節する以外に、ろ過制御バルブの開度を調節することでも制御可能である。すなわち、ろ過制御バルブの開度を大きくすることで、透過液圧力を低減することが可能であり、ろ過ポンプの駆動力を増大させるのと同様の効果を得ることができる。
【０１９９】
また、透過液流量センサの代わりに透過液圧力センサの出力値を使用して制御動作を行っても良い。透過液圧力センサは、ろ過運転時とろ過停止時の値を読み取り、両者の差を算出することで膜間差圧を計測することもできる。制御動作に使用する出力値は、透過液圧力の値でも、上述のような方法で透過液圧力から算出される膜間差圧の値でも、設定値と検出値の両者が一方に統一されていれば良い。
【０２００】
このようにして、ろ過運転制御装置は、そのろ過運転制御装置が接続されている複数の分離膜モジュールの透過液圧力を、異なる段の分離膜モジュール間のろ過流量の差異を低減するように、一括制御することができる。また、同様の制御によって膜間差圧の差異を低減するように一括制御することもできる。
【０２０１】
５．滅菌または殺菌工程
（５−１）滅菌および殺菌の概要
発酵液に雑菌が混入すると、発酵効率の低下および酵槽内での発泡等により、化学品の製造効率が低下する。そのため、雑菌混入を防ぐために、発酵前に、発酵槽、分離膜および周辺設備を滅菌するか、殺菌することで、雑菌混入（コンタミネーション）を防ぐことが好ましい。
【０２０２】
滅菌の方法としては、火炎滅菌、乾熱滅菌、煮沸滅菌、蒸気滅菌、紫外線滅菌、ガンマ線滅菌、ガス滅菌等の方法が挙げられる。滅菌方法としては、特に、蒸気滅菌が好ましい。また、殺菌方法としては、温水殺菌が好ましい。
【０２０３】
蒸気滅菌または温水滅菌によると、例えば中空糸膜モジュールのように複雑な内部構造を有するモジュールでも、充分に滅菌することができる。
【０２０４】
また、蒸気滅菌および温水滅菌は、膜を乾燥させにくく、耐薬品性を獲得した微生物にも有効である。
【０２０５】
（５−２）蒸気滅菌
蒸気滅菌は、一般的には１２１℃で、１５分間から２０分間行うことが好ましい。工業規模での設備で蒸気滅菌を行う場合、例えば、１２５℃の飽和水蒸気を発酵槽、分離膜モジュールおよび周辺設備に供給し、各設備を１２１℃まで昇温し、この温度を２０分以上保持することで、滅菌を行うことができる。
【０２０６】
蒸気滅菌時には、分離膜モジュールの非透過側に蒸気を供給しても良いし、透過側に蒸気を供給しても良い。外圧式中空糸膜に対しては、非透過側に蒸気を供給することが一般的である。膜の種類によっては、非透過側から透過側に蒸気を通気し、非透過側だけでなく、透過側も滅菌してもよい。
【０２０７】
複数系列の直列モジュールを有する上記Ｉ．で説明したろ過装置を滅菌する工程の一形態について、特に図１に示す構造のろ過装置の蒸気滅菌を例に挙げて以下に説明する。
【０２０８】
蒸気滅菌を行うと、熱交換により蒸気ドレン（ｄｒａｉｎ）が発生する。この蒸気ドレンを排出しやすいように、蒸気滅菌時には、蒸気をモジュールの上方から供給して下方から排出することが好ましい。よって、直列に接続されたモジュールの最上段のモジュールから蒸気を供給することで、直列に接続された全てのモジュールに蒸気を供給することができる。ドレンの排出については、後述する。
【０２０９】
蒸気滅菌時には、分離膜モジュールの被ろ過液側から蒸気を供給しても良いし、透過側から蒸気を供給しても良い。外圧式中空糸膜に対しては、被ろ過液側から蒸気を供給して、被ろ過液側を所定の温度に昇温して滅菌しても良い。さらには、膜の種類によっては、被ろ過液側から透過側に蒸気を通気し、透過側も滅菌しても良い。
【０２１０】
分離膜モジュールを縦にして（長手方向が鉛直方向に沿うように）配置することで、以下の利点がある。まず、被ろ過液を下方から入れたときに、空気を溜めることなく、モジュール内を被ろ過液で満たしやすい。その結果、膜面積を有効に使用できる。また、被ろ過液の泡立ちを抑制でき、かつ被ろ過液に含まれる細胞を傷つけにくい。さらに、分離膜モジュールを直列に接続して、接続された一連の分離膜モジュールを一括して滅菌するときも、ドレンを効率良く排出することができる。
【０２１１】
具体的な形態では、図示しない蒸気供給装置が、還流ライン６０に設けられた蒸気供給口（図示せず）に接続される。ろ過装置２０１が、還流ライン６０に接続されることで、蒸気供給装置は、全ての分離膜モジュールに、１つの蒸気供給口を介して蒸気を供給することができる。
【０２１２】
ただし、１つの蒸気供給口を介して全ての直列ユニットに一度に蒸気を供給できる構成においても、直列ユニットの数が多い場合などにおいては、直列ユニットを複数のグループに分けて、まずグループ毎に直列ユニットに蒸気を通し、その後に、全ての直列ユニットに一斉に蒸気滅菌を行うことが好ましい。このように蒸気を通すことで、多くの直列ユニットが設けられていても、蒸気供給口から遠い直列ユニットでも滅菌不良の発生を抑制することができる。
【０２１３】
具体的に説明する。蒸気供給口が、還流ライン６０において、循環液の流れる方向において最も下流で還流ライン６０に接続する配管６１よりも、さらに下流に設けられている場合を例に挙げる。この構成において、蒸気供給口から、全ての直列ユニットＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３およびＳＵ４に一斉に蒸気を通そうとすると、蒸気供給口に近い側から、直列ユニットＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３の順で早く蒸気が到達する。蒸気供給口から遠い直列ユニットＳＵ４に蒸気が到達するタイミングは、全ての直列ユニットの中で最も遅い。いずれの直列ユニット内にも、蒸気供給開始前の空気が存在している可能性はあるが、直列ユニットＳＵ１の上部から下部まで早く蒸気が通るので、空気は押し出されやすい。ところが、直列ユニットＳＵ４に蒸気が到達したときには、直列ユニットＳＵ１を通った蒸気がろ過装置２０１の下方にまで到達し、その蒸気によって、ろ過装置２０１の下部の配管内の圧力がすでに高まっていることがある。直列ユニットＳＵ４内の空気は、上方から供給される蒸気によって押し下げられるものの、下方の配管内の圧力がすでに高まっていることで、空気は押し出されることなく、直列ユニットＳＵ４内に残存する。空気が残存している部分は、昇温しにくいので、滅菌不良が起きる可能性がある。
【０２１４】
そこで、上述のように、例えば、図１の構成において、直列ユニットＳＵ１およびＳＵ２にまず蒸気を通した後、ＳＵ１およびＳＵ２への蒸気供給を一旦停止し、その後、直列ユニットＳＵ３およびＳＵ４へ蒸気を通す。各直列ユニットに蒸気を通した後は、蒸気通気前に存在していた空気が残っていないため、全ての直列ユニットに対する蒸気供給を一斉に再開しても、滅菌不良は起きにくい。
【０２１５】
幾つの系列の分離膜モジュール直列ユニットに一度に蒸気を供給できるかは、予め蒸気の通気試験を行い、各分離膜モジュールの各部分が設定した蒸気滅菌温度に昇温できているか確認することで、判断することができる。
【０２１６】
このように、直列ユニットを複数備えるろ過装置では、直列に接続された分離膜モジュールの一端から蒸気を送り込むことで、それに接続された一連の分離膜モジュールを滅菌することができる。
【０２１７】
（５−３）ドレン排出
蒸気は複数の分離膜モジュールで形成されたマトリックスの上方から供給され、蒸気ドレンは、下方から排出される。
【０２１８】
図１等に示す構成において、被ろ過液入口を介して直列に接続された２つの分離膜モジュール間では、上方の（つまり蒸気の流れる方向において上流の）モジュール内で発生したドレンは、そのモジュールの被ろ過液入口を通って、下方の分離膜モジュールの非透過液出口から下方の分離膜モジュール内を流れる。こうして、非透過側が直列に接続された分離膜モジュールの中を流れたドレンは全て、最下段の分離膜モジュール（例えば、分離膜モジュールＡ１、Ｂ１等）に集められて、排出される。このように、直列ユニットにおいては、１つの直列ユニットのドレンを最下段のモジュールからまとめて排出することができる。その結果、運転のための設備の規模および運転コストを小さく抑えることができる。
【０２１９】
また、モジュール内に大量のドレンが滞留すると、ドレンが存在するところには蒸気が行き渡らず、滅菌の所定温度以上に昇温することが困難となることがある。そこで、分離膜モジュールは、その長手方向が、水平方向に垂直（つまり鉛直方向に平行）であるか、水平方向に対して斜めに配置されることが好ましい。それによって、ドレンは速やかに排出されるからである。
【０２２０】
具体的には、分離膜モジュールの長手方向は、水平方向に対して、垂直または斜めであることが好ましい。つまり、分離膜モジュールの長手方向と水平方向との間の角度が１°以上９０°以下であることが好ましい。分離膜モジュールの角度の詳細については後述する。
【０２２１】
また、分離膜モジュールの底部にドレン排出口があると、ドレンが速やかに排出される。
【０２２２】
なお、本発明は、本書に示す実施形態に限定されるものではなく、１つのろ過装置に対して、複数の蒸気供給装置が接続されていてもよいし、複数の蒸気供給口が設けられていてもよい。また、蒸気供給口の位置は、特定の位置に限定されるものではない。
【０２２３】
（３）温水殺菌の場合
温水殺菌を行う場合は、一般的に７０℃から９０℃程度の高温の温水を各分離膜モジュールに例えば１時間といった所定の時間、通液して殺菌を行う。この場合、分離膜モジュールや配管内に空気などが残らない様に、例えば図１のろ過装置２０１で、温水をろ過装置２０１のユニットの下部から供給して、ろ過装置２０１のユニットの上部から温水を排出する。蒸気滅菌と同様、温水が供給されるのが遅い分離膜モジュール内に空気が残り、それ以外の分離膜モジュールに温水が通液されると、残った空気が排出されにくくなることがある。よって、直列ユニットを適切なユニット数毎のグループに分け、そのグループごとに温水の供給を行ってもよい。
【０２２４】
例えば、図１ならば、直列ユニットＳＵ１およびＳＵ２にまず温水を通気した後、一旦、ＳＵ１およびＳＵ２への温水を停止し、その後、直列ユニットＳＵ３およびＳＵ４へ温水を通液する。各直列ユニットに温水を通液した後は、温水通液前に存在していた空気などが残っていないため温水供給を一斉に再開することができる。
【０２２５】
ＩＩＩ．その他の変形例
被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置であって、複数の前記分離膜モジュールの非透過側を直列に接続することで、直列ユニットを形成する直列非透過液流路と、複数の前記分離膜モジュールの透過側を並列に接続することで、並列ユニットを形成する並列透過液流路と、を備えるろ過装置によると、設備の簡素化が実現される。
【０２２６】
また、被ろ過液を透過液と非透過液とに分離する複数の分離膜モジュールを備えるろ過装置であって、上述の直列非透過液流路と、複数の前記分離膜モジュールから流出する透過液の圧力を一括制御することで、それら分離膜モジュールのろ過流量または膜間差圧の少なくとも一方を制御するろ過運転制御装置と、を備えるろ過装置も、設備の簡素化を実現することができる。
【０２２７】
図１等を参照して上述した実施形態のろ過装置は、これらのろ過装置の一例である。
【０２２８】
なお、図１等に示すように、１つの直列非透過液流路は、１つのろ過装置に含まれる複数の分離膜モジュールのうちの一部、すなわち少なくとも２つの分離膜モジュール間を接続すればよい。つまり、１つのろ過装置が複数の直列ユニットを有してもよいし、１つのろ過装置が、直列ユニットに含まれる分離膜モジュールと、その直列ユニットに含まれない分離膜モジュールとを有していてもよい。並列透過液流路および並列ユニットについても同様である。
【０２２９】
以下に、ろ過装置の構成の具体例および変形例についてさらに詳細に説明する。
【０２３０】
＜分離膜モジュール間の接続等＞
マトリックス内の複数の直列ユニットにおいて、分離膜モジュールの数は、互いに異なっていても良い。ただし、各直列ユニットにおける分離膜モジュールの数が同じである方が、それぞれの直列ユニットでの圧力損失が、互いに同程度となるので、圧力をより容易に制御することができる。
【０２３１】
また、直列ユニット間が配管で接続されていてもよい。この場合、クロスフローが異なる直列ユニット間を行き来するが、バルブ等を設けることでクロスフローの流量を調整することができる。また、蒸気滅菌時に蒸気の流れが分岐するが、各分岐について個別に蒸気をとおすことで、各分離膜モジュール内に蒸気滅菌前に存在していた空気などを排除することができる。  また、同段に属する（同行に属する）分離膜モジュールは、その後段の分離膜モジュールとの間を直列に接続する配管の長さは、互いにほぼ同一であることが好ましい。つまり、第１直列ユニットＳＵ１の分離膜モジュールＡ１と分離膜モジュールＡ２との間の配管の長さと、第２直列ユニットＳＵ２の分離膜モジュールＢ１と分離膜モジュールＢ２との間の配管の長さとは、略同一であることが好ましい。
【０２３２】
ただ、例えば、分離膜モジュールの性能向上またはろ過量の変更などで、必要な膜面積が変動することはあり得る。つまり、コスト削減などによって、分離膜モジュールの数が装置設計時の数から減ることは有り得る。１つの直列ユニットにおいて、装置設計時に想定されていた数よりも分離膜モジュール数を減らす場合には、例えば、分離膜モジュール間を直列に接続する配管の配管径を変えるか、配管にオリフィスを設けるなどして、その直列ユニットにおける圧力損失を元の直列ユニットと同等になるように調整することができる。また、１つの直列ユニット全体を省略する場合にも、同様に配管径を変えるか、オリフィスを利用することによって、適当な圧力損失を生じさせることができる。
【０２３３】
なお、当初の設計よりも分離膜モジュール数を増やす場合、１つの直列ユニット当たりのモジュールの本数を増やしても良いし、直列ユニットの数を増やしても良い。
【０２３４】
また、並列に接続されたモジュール間でろ過運転制御装置等を共有化する場合、各段の全ての分離膜モジュールについて、ろ過運転制御装置等を共有化しても良いし、各段の分離膜モジュールを幾つかのユニットに分けて、透過液ライン等を共有化しても良い。例えば、図１では、分離膜モジュールＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２が、１つの並列ユニットとして、ろ過ラインおよびろ過運転制御装置５２を共有しているが、分離膜モジュールＡ２、Ｂ２を１つの並列ユニットとし、分離膜モジュールＣ２、Ｄ２を別の並列ユニットとして、それぞれに対応するろ過運転制御装置を設けてもよい。
【０２３５】
ろ過装置は、上述したように、透過液並列流路を備えることが好ましく、透過液並列流路は、異なる直列ユニットに属する２つ以上の分離膜モジュールの透過液側を介して並列接続するユニット横断並列流路を有することが好ましい。
【０２３６】
透過液並列流路によって接続された分離膜モジュールは、並列ユニットを構成する。図１において、配管１２１、１２２、１２３が、透過液並列流路の具体例である。図１の例では、１つの並列ユニットに含まれる全てのモジュールは、同じ段に配置されている。そして、１つの並列ユニットに含まれるモジュールの透過液圧力は一括で制御される。
【０２３７】
１つの並列ユニット内で、それぞれの分離膜モジュールに接続された透過液の配管の長さの差が小さいことが望ましい。そのために、たとえば、トーナメント表のように（言い換えるとツリー図のように）、モジュールを接続することができる。具体的には、図１の構成において、分離膜モジュールＡ１とモジュールＢ１とが透過液配管で接続され、同様にモジュールＣ１とモジュールＤ１とが透過液配管で接続され、モジュールＡ１とＢ１が接続された配管の中間点と、Ｃ１とＤ１が接続された配管の中間点とがさらに接続される構成が例示される。
【０２３８】
また、例えば、図９の構成では、分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１が、水平面方向に描かれた円周上（図中に点線の仮想線を示す。）に配置される。各分離膜モジュールＡ１、Ｂ１、Ｃ１およびＤ１からは、円の中心に向かって透過液の配管３１ａ、３１ｂ、３１ｃおよび３１ｄが延びている。円の中心では、これらの透過液の配管は、円の中心で１つの配管３１に接続されている。
【０２３９】
圧力損失は、クロスフロー流速および分離膜モジュール構造などの要因によって変動する。クロスフロー流速は、循環液が流れる配管に設けられた流量センサ等の計器、バルブ（およびその開度）、および循環ポンプの駆動力などによって変動する。また、同じクロスフロー流速においても、被ろ過側に設置されたバルブの開度または循環ポンプの駆動力の大きさによって、クロスフロー流の圧力は変動する。従って、ポンプの駆動力やバルブの開度を調節することによって、循環液の圧力を増減させて膜間差圧および／またはろ過量を調節することができる。
【０２４０】
また、同じ段の分離膜モジュール同士を接続した並列透過液流路の圧力損失は小さいことが望ましい。並列透過液流路の圧力損失が小さいことで、同じ段の分離膜モジュール間で膜間差圧の差異が小さくなるので、１つのろ過運転制御装置による一括制御が好ましく適用される。分離膜モジュールの種類によっても異なるが、精密ろ過膜の中空糸膜モジュールであれば、同じ段の分離膜モジュールを接続する並列透過液流路の圧力損失は、好ましくは１０ｋＰａ以下、さらに好ましくは５ｋＰａ以下、さらには１ｋＰａ以下であることが好ましい。
【０２４１】
透過液配管の圧力損失を小さくするための構成としては、配管径を大きくすること、圧力損失発生源となる余分な計器などを設けないこと、また、共有化する分離膜モジュール数を少なくすること、ろ過運転制御装置は共有するが、透過液配管を幾つかに分岐させて分離膜モジュールと接続すること、などが考えられる。また、共有されるろ過運転制御装置と各分離膜モジュールとの間の透過液配管の長さは略均等であることが好ましい。
【０２４２】
また、透過液配管の圧力損失を小さくすることが困難な場合は、ろ過運転制御装置から遠い分離膜モジュールの透過液配管を高い位置に、ろ過運転制御装置から近い分離膜モジュールの透過液配管を低い位置に設置することで、水頭差を利用して、透過液圧力を調整しても良い。あるいは、透過液配管の合流地点よりも分離膜モジュール側（上流側）でオリフィスやバルブなどの通液抵抗を設置することによって、圧力損失による影響を排除することができる。
【０２４３】
さらには、異なる直列ユニットに属する分離膜モジュールにおいて、段の異なる分離膜モジュールを接続する場合、分離膜モジュールの非透過液側の圧力差や水頭差分の圧力損失を生じるオリフィスなどの通液抵抗を設置することで、影響を排除することができる。
【０２４４】
＜分離膜モジュールの角度＞
上述したように、分離膜モジュールは、その長手方向が、水平方向に対して垂直または斜めになるように配置されることが好ましい。「斜め」とは、平行および垂直方向から外れていることを意味する。
【０２４５】
なお、「角度」とは、分離膜モジュールの長手方向に平行な直線と水平方向に平行な直線との間の角度のうち、鋭角となる角度である（図１０の角度Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）。
【０２４６】
分離膜モジュールがこのように配置されていることで、上述したように、蒸気滅菌時のドレンを速やかに排出することができる。なお、直列に接続する本数が多い場合は、それだけ最下段の分離膜モジュールには多くのドレンが流入するので、ドレンの流下速度を大きくするために、分離膜モジュールの長手方向と水平方向との間の角度は大きいことが好ましい。
【０２４７】
これにより、蒸気滅菌のための設備を備えた連続発酵装置でも、運転のための設備の規模および運転コストを小さく抑えることができる。
【０２４８】
また、直列に接続されている分離膜モジュールのうち、少なくとも２つのモジュールが、上述の数値範囲内の角度を示せばよい。
【０２４９】
より具体的には、分離膜モジュールは、被ろ過液入口がその非透過液出口より高い位置にあるように配置されることが好ましい。この構成によって、ドレンをより速やかに分離膜モジュール外に排出することができる。
【０２５０】
なお、１つの直列ユニット内の分離膜モジュールの位置は、水平方向にずれていてもよいし、重なっていてもよい。また、１つの直列ユニットを上方から見たとき、その直列ユニットに含まれる複数の分離膜モジュールの長手方向は、互いに平行であってもよいし、交差していてもよい。
【０２５１】
発生するドレンの量は、外部の気温、分離膜モジュール、分離膜モジュール周辺の配管、設備の保温の状態などにより異なる。よって、予め分離膜モジュールを蒸気加熱する試験を行うことで、適切な角度等を確認することができる。蒸気加熱試験では、例えば、上方の分離膜モジュール（図１ではＡ３）の非透過液出口から加熱蒸気を分離膜モジュール内に送り込むことで、該分離膜モジュールの被ろ過液供給口および下段の分離膜モジュール（図１ではＡ２）の非透過液出口を介して分離膜モジュール内に加熱蒸気を送り込み、同様にして再下段の分離膜モジュール（図１ではＡ１）まで加熱する。この実験により、分離膜モジュールの温度、特に各モジュールの下部について、所定の滅菌温度まで昇温できれば、各モジュールの角度は適切である。一方で、充分に昇温できないモジュールがあれば、その分離膜モジュールの角度を大きくすることを検討すればよい。
【０２５２】
＜直列ユニットにおける分離膜モジュール配置の具体例＞
以下に、直列ユニットにおける分離膜モジュールの配置の具体例を示す。これらのモジュール配置は、上述したろ過装置に適用可能である。
【０２５３】
以下に説明する直列ユニットは、２個以上の分離膜モジュールであって、その分離膜モジュールが斜めに配置されている分離膜モジュールと；いずれか１つの分離膜モジュールとその分離膜モジュールより下に配置された分離膜モジュールとの一次側を直列に接続する送液ラインと、いずれか１つの分離膜モジュールのドレンをその分離膜モジュールより下に配置された分離膜モジュールに送り込むドレン排出ラインとを備える。
【０２５４】
通常、分離膜モジュールは、円筒または直方体のように一方向に長いことが多い。複数のこのような分離膜モジュールを、長さ方向が鉛直方向に平行になるように設置し（縦置きし）かつ直列に接続する場合、鉛直方向に分離膜モジュールを並べると、設備全体の高さは、（個々の分離膜モジュールの長さ）×（重ねた本数）以上になる。
【０２５５】
これに対して、分離膜モジュールを、その長手方向が鉛直方向に対して斜めになるように配置することで、設備高さを抑制することができる。
【０２５６】
図１０および図１１では、外圧式中空糸膜モジュールを備えるモジュールユニットを例に挙げるが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の分離膜モジュールに適用可能である。
【０２５７】
図１０に示す直列ユニットＳＵ１１は、複数の分離膜モジュールＡ１、Ａ２、Ａ３と、分離膜モジュールＡ１とＡ２との間、および分離膜モジュールＡ２とＡ３との間をそれぞれ直列に接続する直列非透過液流路（送液ラインの一例）６１１、６１２、６１３を備える。
【０２５８】
分離膜モジュールＡ１、Ａ２、Ａ３はそれぞれ、図１８の中空糸膜モジュールａ１５と同様の構成を有する。ただし、後述する分離膜モジュールのいずれも、図１０および図１１の構成に適用可能である。
【０２５９】
分離膜モジュールＡ１は最下方に、モジュールＡ２はＡ１の上に、モジュールＡ３はＡ２の上に配置される。このように、鉛直方向に分離膜モジュールを積み重ねた方が、水平方向に並べるよりも、分離膜モジュール間を繋ぐ管を短くすることができ、運転にかかるエネルギーを低減することができる。
【０２６０】
また、分離膜モジュールＡ１、Ａ２、Ａ３の長手方向（筒状ケースの高さ方向：図中に一点鎖線で示す）と水平方向（図中に点線で示す）との間の角度は、１°以上９０°以下であることが好ましい。前記モジュールの長手方向と水平方向との間の角度は、１°以上９０°未満であってもよい。さらには、この角度は、１°以上４５°以下であることがより好ましく、５°以上３０°以下であることがより好ましい。
【０２６１】
角度が１°以上であれば、蒸気滅菌時の分離膜モジュール内でのドレンの滞留を抑制し、滅菌不良を効果的に抑制することができる。角度が大きいほど（長手方向が鉛直に近いほど）、ドレンの排出速度（つまりドレンの流下速度）は大きくなる。特に下段の分離膜モジュールには上段の分離膜モジュールのドレンが集まるため、下段の分離膜モジュールおよび下段の流路では、昇温性が低下する懸念がある。直列に接続する本数が多い場合は、それだけ最下段の分離膜モジュールには多くのドレンが流入するので、分離膜モジュールの長手方向と水平方向との間の角度を大きくすることで、ドレンの流下速度を早くして、ドレンを早く排出することが好ましい。
【０２６２】
一方で、角度が小さい方が、分離膜モジュールユニットの高さＨＵを小さくできるので、設備費および運転コストを低減することができる。さらには、分離膜モジュールの交換などのメンテナンスにおいても手間を削減することができる。そのため、斜め配置の分離膜モジュールの傾きは、必要最小限とすることが好ましく、その一例が、上述の１°以上４５°以下という範囲である。
【０２６３】
図１０では、直列ユニットＳＵ１１内の全てのモジュールＡ１、Ａ２、Ａ３の長手方向と水平方向との間の角度、Ｒ２およびＲ３は同等である。ただし、１つの直列ユニットに含まれる複数の分離膜モジュールの角度は互いに異なっていてもよい。
【０２６４】
例えば、図１１の直列ユニットＳＵ１２は、各モジュールの長手方向が、隣のモジュールの長手方向とジグザグになるように配置されている以外は図１０の直列ユニットＳＵ１１と同様の構成を備える。
【０２６５】
また、直列に接続されているモジュールのうち、少なくとも２つのモジュールが、上述の数値範囲内の角度を示せばよい。つまり、上述の数値範囲内の角度を示すモジュールに、上述の数値範囲からはずれた角度を示す分離膜モジュールが、さらに接続されていてもよい。つまり、直列ユニットは、長手方向と水平方向との間の角度が１°以上４５°以下になるように配置された第１分離膜モジュールと、長手方向と水平方向との間の角度が１°以上４５°以下になるように配置され、かつ前記第１分離膜モジュールの上方に配置された第２分離膜モジュールと、前記第１分離膜モジュールと前記第２分離膜モジュールの一次側とを直列に分離膜モジュールの１次側を直列に接続する送液ラインと、を備えればよい。第１分離膜モジュールと第２分離膜モジュールとの間に、異なる角度を示す他の分離膜モジュールが接続されていてもよい。
【０２６６】
なお、１つの直列ユニット内の分離膜モジュールの位置は、水平方向にずれていてもよいし、重なっていてもよい。また、１つの直列ユニットを上方から見たとき、その直列ユニットに含まれる複数の分離膜モジュールの長手方向は、互いに平行であってもよいし、交差していてもよい。
【０２６７】
分離膜モジュールの角度は、モジュールを実際に使用する前に、あらかじめ蒸気加熱試験を行うことで、決定されてもよい。蒸気加熱試験では、例えば、上方のモジュールＡ３の濃縮液出口７１１から加熱蒸気をモジュール内に送り込むことで、モジュールＡ３の被ろ過液入口７０１および下のモジュールＡ２の濃縮液出口７１１を介してモジュールＡ２に加熱蒸気を送り込み、同様にして下方のモジュールＡ１まで加熱する。この実験により、分離膜モジュールの温度、特に各モジュールの下部について、所定の滅菌温度まで昇温できれば、各モジュールの角度は適切である。一方で、充分に昇温できないモジュールがあれば、その分離膜モジュールの角度を大きくすることを検討すればよい。
【０２６８】
ドレンを滞留させずに排出するためには、モジュールのドレン排出口は、モジュールの設置姿勢において最も低い位置に設けられることが好ましい。モジュールの長手方向が鉛直方向に沿うようにモジュールを設置するのであれば、分離膜モジュールのドレン排出口は、モジュールの縦軸の近傍（つまり端面図における中央付近）で、モジュールの下端に設けられればよい。しかし、モジュールを斜めに設置する場合は、ドレン排出口は偏心した位置に設けられることが好ましい。言い換えると、筐体においてドレンが溜まりやすいところに、ドレン排出口を設ければよい。こうして、分離モジュールを、その長手方向が略鉛直方向に平行になるように、または斜めに配置にすると、ドレンが滞留することなく排出される。具体的な構成としては、図１４、図１６、図１７、図１８に示すとおりである。
【０２６９】
例えば、径１５９ｍｍで、長さ１５００ｍｍの円筒状の３本の分離膜モジュールを直列に接続したとする。このとき、図１０または図１１のように、モジュールを傾けて配置すれば、分離膜モジュールが接続された直列ユニットの高さを１．５ｍ程度に抑えることができる。
【０２７０】
直列非透過液流路６１１、６１２、６１３は、各モジュールの一次側を接続できればよい。図１０および図１１では、直列非透過液流路６１２は、上のモジュールのドレン排出ノズル８０ａと、下のモジュールの濃縮液排出ノズル７１１ａとを接続する。上述のいずれのモジュールを適用する場合も、直列非透過液流路は、同様の位置に接続されればよい。
【０２７１】
本実施形態において、１つの循環ポンプに並列に接続される直列ユニットの数は、循環ポンプの仕様等を考慮して決定されるが、メンテナンスの容易さを考慮すると１０列以内が望ましい。なお、膜ろ過差圧の急上昇など異常が生じた場合に、計器の測定結果から、異常発生の原因である分離膜モジュールの列方向での位置（直列方向でどの段にあるか）を検出することができる。
【０２７２】
また、１つの直列ユニットに含まれる分離膜モジュールの数も、具体的な数値に限定されない。直列に配置する分離膜モジュールの数が多いほど、分離膜モジュールにおける圧力損失の総量が大きくなるので、クロスフローの循環ポンプには大きな動力が求められる。
【０２７３】
＜ろ過駆動力＞
図１では、循環ポンプ１１によって、全ての分離膜モジュールに発酵液を送っている。また、先述した具体例のモジュール構成では、圧力損失を考慮しても、図１のろ過装置において必要とされるろ過の駆動力は、循環ポンプ１１のみでまかなうことが可能である。
【０２７４】
しかし、単一のポンプのみでろ過の駆動力をまかなう場合、モジュール数が多くなるほど、ポンプに大きな容量が要求される。ろ過装置全体に含まれる分離膜モジュールをいくつかのグループに分けて、各グループの非透過側に発酵液を送るポンプを接続してもよい。また、ポンプ、直列ユニット、ポンプ、直列ユニットの順に、２つ以上の直列ユニットを、ポンプを間に挟んで直列に接続してもよい。また、１部の前記ユニットを他のユニットの後段に直列配置してもよい。
【０２７５】
また、図１では、ろ過の駆動力を循環ポンプ１１で発生させているが、駆動力は他の構成によって生じてもよい。他の構成として、例えば、非透過液と透過液との液位差（水頭差）を利用したサイホンが挙げられる。また、ろ過の駆動力は、循環ポンプ１１の駆動に代えて、または循環ポンプ１１の駆動と併せて、透過液配管に設置されたろ過ポンプ１２１−１２３によって透過液圧力を調整することで得られてもよい。加えて、非透過側および透過側の少なくとも一方にコントロールバルブを設置することによっても、ろ過の駆動力を制御することができる。循環ポンプ１１は、発酵液が供給される全ての分離膜モジュールのろ過駆動力を増減させ、透過液配管に接続される、ろ過ポンプ１２１−１２３ならびにコントロールバルブは、同じ配管に接続される分離膜モジュールのろ過駆動力を調節する。更に、非透過側に導入される気体または液体の圧力を調整することによっても、ろ過の駆動力は制御される。
【０２７６】
＜ろ過運転制御装置＞
ろ過運転制御装置は、そのろ過運転制御装置が接続されている複数の分離膜モジュールと、他段の分離膜モジュールとの膜間差圧および／またはろ過流量の差異を低減するように、透過液圧力を一括制御する。
【０２７７】
ろ過運転制御装置は、透過液流量センサ、透過液圧力センサまたは差圧センサ（以下、まとめて「センサ」と称する。）のうち少なくとも１つを備え、これらのセンサの出力結果に基づいて制御を行うように構成されていてもよい。これらのセンサは、ろ過量やろ過抵抗またはそれに関連する情報を得ることができるので、ろ過運転状況の検知部の一例であると言える。
【０２７８】
センサは、全ての分離膜モジュールに対応するように設置される必要はなく、代表的な分離膜モジュールに設置されれば良い。例えば、同じ段に配置された分離膜モジュールで共有されている透過液配管にセンサが設けられていればよい。
【０２７９】
また、制御部は、ろ過運転状況に関連する値をセンサによって測定することなく、あらかじめ測定されたデータに基づいて制御を行うように構成されていてもよい。また、制御部は、ろ過ポンプ毎にあらかじめ設定された駆動力で、それぞれのろ過ポンプを駆動するようになっていてもよい。
【０２８０】
＜膜洗浄装置＞
図４、図６では、膜洗浄装置４０および４０１は、分離膜モジュールの透過側に洗浄液を供給するように配置されているが、これらの洗浄装置は、分離膜モジュールの非透過側に対して洗浄液を供給するように配置されてもよい。
【０２８１】
図４および図６では、膜洗浄装置４０および４０１は、分離膜モジュールの段毎に洗浄液の供給のオン/オフを切り替えられるようになっている。言い換えると、膜洗浄装置４０および４０１は、１つの段に洗浄液を供給する場合は、その段に含まれる全ての分離膜モジュールに対して洗浄液を供給する。
【０２８２】
ただし、各段の分離膜モジュールが２つ以上のグループに分けられており、そのグループ毎に、洗浄液を供給する配管およびバルブが設けられていれば、そのグループ毎に洗浄液の供給のオン／オフを切り替えることが可能となる。
【０２８３】
分離膜モジュールの各段の洗浄液供給ラインにおける圧力損失は小さいことが望ましい。洗浄液供給ラインにおける圧力損失が小さいことで、同じ段の分離膜モジュール間での膜間差圧の違いが小さく、均一な洗浄効果が得られる。例えば、膜間差圧の違いが大きいと、膜間差圧の高い分離膜モジュールに洗浄液が流れにくくなり、洗浄効果が低減する可能性がある。分離膜モジュールの種類によっても異なるが、精密ろ過の中空糸膜モジュールであれば、各段での洗浄液供給ラインにおける圧力損失は、好ましくは１０ｋＰａ以下、より好ましくは５ｋＰａ以下、さらに好ましくは１ｋＰａ以下である。
【０２８４】
洗浄液供給ラインの圧力損失を小さくするには、配管径を大きくすること、圧力損失発生源となる余分な計器などを設けないこと、また、１つの膜洗浄装置を共有する分離膜モジュール数を少なくすること、膜洗浄装置は共有するが洗浄液供給ラインを幾つかに分岐させて分離膜モジュールと接続すること、などの方法が考えられる。洗浄液供給ラインの圧力損失の観点からは、洗浄液供給ラインの長さは共有された各段のモジュール毎に略均等にすることが好ましい。
【０２８５】
また、洗浄液供給ラインの圧力損失が小さくできなくても、膜洗浄装置から近い分離膜モジュールの洗浄液供給ラインを高い位置に、膜洗浄装置から遠い分離膜モジュールの洗浄液供給ラインを低い位置に設置して傾斜をつけて、ヘッド差を利用しても良い。
透過液ラインと洗浄液供給ラインを共有する場合は、膜洗浄装置はろ過運転制御装置とは共有化した分離膜モジュールを介して反対側に設置されても良い。
【０２８６】
＜分離膜モジュール＞
分離膜は、平膜、中空糸膜、スパイラル式などいずれの形状であってもよい。中空糸膜モジュールについては、外圧式、内圧式のいずれであってもよい。
【０２８７】
分離膜モジュールには、均等に発酵液が送液されることが好ましく、そのため、送液する発酵液の粘度、送液ラインの配管長さ及び太さにより送液抵抗が送液圧に対して小さいことが好ましい。
【０２８８】
なお、１つのろ過装置は、互いに異なる構成（例えば、分離膜モジュールの長さ、膜の充填率、分離膜の種類など）を備える複数の分離膜モジュールを備えてもよいし、全ての分離膜モジュールが、同じ構成を備えていてもよい。ただし、異なる充填率を有する分離膜モジュールを備える場合など、モジュール毎にクロスフロー流束が異なると、発酵液の流量を互いに同じにするように制御したとしても、モジュールによって、クロスフローの剪断力による分離膜の洗浄効果に差が生じる。またモジュールのろ過速度の設定も個別に行う必要がある。さらに、異なるモジュールを管理するには、同じ種類のモジュールを管理するよりも手間が増えるので、生産管理の観点からは、分離膜モジュールの仕様は同じである方が好ましい。
【０２８９】
また、同じ仕様の分離膜モジュールであっても、ロットによって膜ろ過抵抗（膜の通液抵抗）が異なる場合がある。透過液配管が共有されている複数の分離膜モジュール内において、膜ろ過抵抗が異なる場合、膜ろ過抵抗の小さいものほど積極的にろ過が行われ、膜の目詰まりも促進される。
【０２９０】
そこで、互いに透過液配管を共有する分離膜モジュールの膜ろ過抵抗の和が、他の透過液配管を共有する分離膜モジュールの膜ろ過抵抗の和との差が小さくなるように配置することが望ましい。これによって、透過液配管を共有しない分離膜モジュールにおいても目詰まりの進行速度をそろえることが可能となる。その結果、目詰まりに伴うメンテナンスの頻度および作業負荷が低減される。
【０２９１】
また、上流の分離膜モジュールの膜ろ過抵抗が、下流の分離膜モジュールの膜ろ過抵抗よりも高い場合、上流の分離膜モジュールでの膜間差圧を増大させることで、上流および下流のモジュールで、同等のろ過流束を得ることができる。この場合、膜間差圧を増大させるためには、ろ過運転制御装置のバルブまたはポンプの動力を下げ、上流の分離膜モジュールの透過液の圧力を減圧することによって、膜間差圧を増加させることができる。このように、膜ろ過抵抗の大きい分離膜モジュールを上流に配置することによって、低い動力で分離膜モジュール間での流束の差を小さくすることが可能となり、省エネルギー効果を得ることが出来る。
【０２９２】
分離膜モジュールのロットごとの膜ろ過抵抗の大きさの違いは、分離膜モジュールの検品表に記載されている値を参考にしても良いし、ある所定の圧力をかけて水をろ過し、単位時間あたりのろ過量を測定することで計測されても良い。
【０２９３】
（１）分離膜モジュールの構成
分離膜モジュールの具体的な構成について、外圧式中空糸膜モジュールを例に、図面を参照しながら説明する。
【０２９４】
図１４の中空糸膜モジュールａ１１は、両端が開口した筒状ケースａ３と、上キャップａ６と、下キャップａ７と、筒状ケースａ３内に収納された多数本の中空糸膜ａ２とを備える。
【０２９５】
筒状ケースａ３、上キャップａ６および下キャップａ７は、筐体に相当する。
【０２９６】
筒状ケースａ３は、両端が開口した円筒状のケースであり、側面において、円筒形状における高さ方向での下端の近傍に被ろ過液入口７０１が設けられ、高さ方向での上端の近傍に濃縮液出口７１１が設けられている。また、被ろ過液入口７０１および濃縮液出口７１１からはそれぞれノズル７０１ａ（８０ａ）および７１１ａが突出している。
【０２９７】
上キャップａ６は、筒状ケースａ３の上端に装着される。上キャップａ６には第１のろ過液出口９１が設けられる。下キャップａ７は筒状ケースａ４の下端に装着される。下キャップａ７には第２のろ過液出口９２が設けられる。ろ過液出口９１および９２からは、ノズル９１ａおよび９２ａが突出する。なお、本形態では、被ろ過液入口７０１がドレン排出口８０を兼ねる。また、被ろ過液入口７０１は、エア供給口としても機能する。
【０２９８】
本形態では、中空糸膜ａ２は、その両端が開口している。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、中空糸膜は２つの端面の少なくとも一方が開口していればよい。本形態では、中空糸膜ａ２の上端と下端とは、それぞれ中空糸膜集束部材ａ４１およびａ４２によって束ねられている。図１４では、両方の中空糸膜集束部材ａ４が筒状ケースａ３の内部に固定されることで、中空糸膜束が筒状ケースａ３内に固定される。中空糸膜集束部材ａ４１およびａ４２は、いわゆるポッティング剤で形成されている。なお、中空糸膜集束部材ａ４１およびａ４２を、必要に応じ筒状等の容器内に接着固定し、Ｏリングやパッキンなどのシール材を用いて液密に筒状ケースａ３の内部に固定することで、中空糸膜ａ２と中空糸膜集束部材ａ４１およびａ４２をカートリッジ式として、中空糸膜束を筒状ケース３内に固定しても良い。
【０２９９】
中空糸膜モジュールａ１１では、例えば、全量ろ過の場合、被ろ過液は、被ろ過液入口８０から、筒状ケースａ３の内部、具体的には中空糸膜ａ２の外側（非透過側：一次側）に供給される。中空糸膜ａ２を透過した透過液は、中空糸膜内部（透過側：二次側）をとおり、中空糸膜ａ２の開口した上端から上キャップａ６内に流れ、次いで第１ろ過液出口９１から中空糸膜モジュールａ１１の外部へと流出する。また、透過液は、中空糸膜ａ２の開口した下端から下キャップａ７内に流れることもでき、このように下キャップａ７内に流れた透過液は、第２ろ過液出口９２から中空糸膜モジュールａ１１の外部へと流出する。中空糸膜集束部材ａ４１、ａ４２が筒状ケースａ３の内壁に（つまり筐体の内壁に）液密に固定されていることで、透過液と被ろ過液および濃縮液とは互いに混ざらないように隔離される。
【０３００】
図１５の中空糸膜モジュールａ１２は、中空糸膜ａ２の下端が閉塞された状態で、小束閉塞部材ａ５によって束ねられており、かつ筒状ケースａ３および下キャップａ７に変えて、筒状ケースａ３１および下キャップａ７１が設けられる以外は、図１４の構成とほぼ同一である。すでに説明した部材については、同符号を付してその説明を省略する。
【０３０１】
図１５の形態では、中空糸膜ａ２の上端は、開口した状態で、中空糸膜集束部材ａ４１に束ねられる。中空糸膜集束部材ａ４１は、図１４の形態と同様に、筒状ケースａ３の上端近傍に液密に固定される。一方、中空糸膜ａ２の下方の端部は、１束から３００束程度の小束ａ２ａに分割され、小束ａ２ａ毎に小束閉塞部材ａ５で束ねられ、かつ下端が閉塞されている。
【０３０２】
なお、下方の端部において、小束ａ２ａは筐体に対して固定されておらず、自由に動くことができる。また、補強のために各小束ａ２ａにはスチールワイヤーやアラミド繊維コードなどの、高強度かつ低伸度である糸状または棒状の部材を含んでもよい。
筒状ケースａ３１は、被ろ過液入口を備えない以外は、筒状ケースａ３と同様の構成を備える。下キャップａ７１は、図１４の下キャップａ７と同様の構造を有するが、下キャップａ７でのろ過液出口９２に相当する構造が、被ろ過液入口７０２、ドレン排出口８１およびエア供給口として機能する。
【０３０３】
図１５の中空糸膜モジュールａ１２では、例えばクロスフローろ過の場合、被ろ過液は、被ろ過液入口７０２から、複数の小束ａ２ａの間を通って、筒状ケースａ３の内部、具体的には中空糸膜ａ２の外側に供給される。中空糸膜ａ２を透過した透過液は、中空糸膜内部をとおり、中空糸膜ａ２の開口した上端から上キャップａ６内に流れ、次いで第１ろ過液出口９１から中空糸膜モジュールａ１２の外部へと流出する。中空糸膜ａ２を透過しなかった濃縮液は、濃縮液出口７１１から中空糸膜モジュールａ１２の外部へと流出する。中空糸膜集束部材ａ４１が筒状ケースａ３の内壁に（つまり筐体の内壁に）液密に固定されていることで、透過液と被ろ過液および濃縮液とは互いに混ざらないように隔離される。
【０３０４】
なお、図１４の構成と図１５の構成とを組み合わせることもできる。つまり、図１４の構成において、中空糸膜ａ２の片方の端部が閉塞されていてもよい。例えば、図１５の筒状ケースａ３１、上キャップａ６、下キャップａ７１を備える筐体内に、中空糸膜集束部材ａ４１およびａ４２で束ねられた図１４の中空糸膜ａ２が収容されており、かつ、中空糸膜集束部材ａ４２が中空糸膜ａ２の下端を閉塞していてもよい。この場合、中空糸膜集束部材ａ４２に対して筒状ケースａ３が固定されておらず、筒状ケースａ３と中空糸膜集束部材ａ４２との間に隙間が設けられていてもよい。
【０３０５】
上述したいずれの構成においても、膜の上端または下端のうち、閉塞される方の端部は、Ｕ字状に折り曲げた糸束の湾曲部が閉塞部材または集束部材によって束ねられていてもよい。
【０３０６】
さらに、図１６、図１７に示すように、ドレン排出口８０をろ過液入口７０１とは別に設けてもよい。
【０３０７】
具体的には、図１６の分離膜モジュールａ１３は、筒状ケースａ３に代えて筒状ケースａ３２を備える以外は、図１４の中空糸膜モジュールａ１１と同じ構成を備える。筒状ケースａ３２は、その下端の近傍に、別々に設けられたろ過液入口７０１およびドレン排出口８０を備える。ろ過液入口７０１の位置は、筒状ケースの周方向において、ドレン排出口８０に近くてもよいし、離れていてもよい。
【０３０８】
また、図１７の分離膜モジュールａ１４は、筒状ケースａ３１に代えて筒状ケースａ３３を備える以外は、図１５の中空糸膜モジュールａ１２と同じ構成を備える。筒状ケースａ３３は、その下端にドレン排出口８０を備える。また、図１７の構成において、被ろ過液入口７０２とドレン排出口８０との位置が入れ替わってもよい。
【０３０９】
また、図１８の中空糸膜モジュールａ１５は、被ろ過液入口７０１（ドレン排出口８０）が、偏心した位置に設けられる以外は図１５の中空糸膜モジュールａ１２と同様の構成を有する。図１４、図１６、図１７でも、ドレン排出口８０が偏心した位置に設けられている。
【０３１０】
以上に説明した部材のより具体的な構成および分離膜モジュールがさらに備え得る部材について説明する。
【０３１１】
（２）筐体
筒状ケースａ３、上キャップａ６および下キャップ７は、蒸気滅菌に対する耐熱性を有することが好ましい。例えば、これらの部材の材料としては、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィドなどの耐熱性の樹脂が単独もしくは混合で用いられる。また、樹脂以外の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼などが好ましい。好ましい材料としてはさらに、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料が挙げられる。
【０３１２】
筐体の形状は特に限定はないが、円筒形状の胴体を持つものが好ましい。胴体部の形状は円筒でなくとも良く、筐体の製作のし易さ、分離膜モジュール内のデッドスペースの最小化などを考慮して変更することができる。
【０３１３】
（３）整流部材
分離膜モジュールは、筐体内に、分離膜モジュール内の流れを整流化するための整流部材を備えてもよい。整流部材は、例えば、筒状の部材であり、筐体の上端近傍（例えば筒状ケースａ３および筒状ケースａ３１の上端近傍）に配置される。
分離膜は、接着剤などで、筐体または整流部品に固定されても良い。また、分離膜はカートリッジ式であってもよい。つまり、分離膜が、筐体または整流部品に対して脱着可能であってもよい。
【０３１４】
（４）集束部材
中空糸膜集束部材ａ４１およびａ４２のように中空糸膜開口したまま束ねる部材ならびに小束閉塞部材ａ５のように中空糸膜を閉塞しかつ束ねる部材をまとめて集束部材とよぶ。集束部材としては、接着剤が好ましく用いられる。
【０３１５】
接着剤として、硬化後のタイプＤデュロメータ硬度が５０以上８０以下程度の合成樹脂が好ましく用いられる。タイプＤデュロメータ硬度は、ＪＩＳ−Ｋ６２５３（２００４）で測定される。
【０３１６】
硬度が５０以上であることで、ろ過時、逆圧洗浄時、および蒸気滅菌時に分離膜１次側から高圧の飽和水蒸気を投入した場合等の、分離膜の１次側と２次側で差圧がかかった時にも、中空糸膜集束部材ａ４の変形を小さく抑えることができる。その結果、中空糸膜と集束部材との間での剥離発生を抑制することができ、中空糸膜ａ２が破断してリークを起こす懸念が低減される。
【０３１７】
また、硬度が８０以下であることも、中空糸膜が損傷する危険性を低減する。集束部材の表面のうち、中空糸膜が突出している部分では、集束部材の角と中空糸膜が接触する。ろ過時および逆圧洗浄時等において中空糸膜の揺れが発生したときに、集束部材の角と中空糸膜の外面とが強く接触する可能性があるが、その場合も、硬度が８０以下であることで、中空糸膜の損傷および破断の発生を抑制することができる。
【０３１８】
以上の様な、中空糸膜集束部材ａ４および小束閉塞部材ａ５の接着剤としては、汎用品で安価であり、水質への影響も小さいエポキシ樹脂やポリウレタン樹脂などの合成樹脂を用いることが好ましい。
【０３１９】
（５）分離膜充填率
分離膜モジュールの分離膜の充填率について、中空糸膜モジュールを例に説明する。ここで、中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の充填率は以下の式１で求められる。
【０３２０】
【数１】
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【０３２１】
中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の充填率は、使用する目的や状況に応じて適宜決定することができる。具体的には、充填率は、３０％以上６０％以下が好ましい。また、本実施形態では、中空糸膜モジュールを斜めに配置して、直列に接続して、かつ蒸気滅菌を行うので、中空糸膜の充填率は、４０％以上であることが好ましく、４５％以上であることがより好ましい。
【０３２２】
理由は以下のとおりである。中空糸膜モジュールを斜めに設置すると、筐体内で中空糸膜が鉛直方向に偏り、その偏りが、滅菌時の昇温性およびクロスフローの流れに影響する可能性がある。そのため、中空糸膜が筐体の中で偏りが大きくならない様に、筐体の中に中空糸膜を詰めて、空隙を必要最小限にすることが好ましい。そのため、通常よりも中空糸膜の充填率を高めに設定しておくことが好ましい。
【０３２３】
また、中空糸膜が筐体の中で偏らない様に、保持板などで中空糸膜を保持しても良い。保持板などの保持部材は、蒸気滅菌に対して耐熱性を有することが好ましく、また蒸気ドレンの滞留が無いように、凹部分を持たない構造を有することが好ましい。
【０３２４】
充填率が３０％以上であることが好ましい他の理由を以下に述べる。充填率が大きいほど、１個のモジュール当たりの膜面積が大きくなるため、ろ過効率が向上する。充填率が３０％以上であることで、中空糸膜モジュール内で中空糸膜以外の断面積が小さく抑えられるので、循環流量を大きくしなくても膜面線速度を大きくすることができる。つまり、大型の循環ポンプを必要とすることなくろ過に適切な線速度を得ることができるので、機器費および運転電力を抑えることができる。また循環流量が小さくて済むので、細い配管を用いることができ、その結果、配管および自動弁などのバルブ類にかかる費用を抑制することができる。
【０３２５】
中空糸膜の充填率が６０％以下であることで、滅菌における蒸気、ろ過運転における被ろ過液、洗浄における洗浄液が、モジュール内に充分に行き渡りやすい。
【０３２６】
また、充填率が６０%以下であることで、微生物をモジュール外に排出しやすいので、膜の目詰まりを抑制しやすい。また、充填率が６０%以下であれば、筐体に中空糸膜束を挿入することも容易である。さらに、中空糸膜の間に集束部材を構成する接着剤が浸透しやすく、製作が容易である。
【０３２７】
＜分離膜＞
分離膜は、有機膜、無機膜のいずれであってもよい。分離膜は、逆圧洗浄または薬液浸漬等により洗浄されるので、耐圧性および耐薬品性を有することが好ましい。
【０３２８】
分離性能及び透水性能、さらには耐汚れ性の観点から、分離膜は、有機高分子化合物を主成分として含有することが好ましい。有機高分子化合物としては、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、セルロース系樹脂およびセルローストリアセテート系樹脂などの樹脂が挙げられる。分離膜は、これらの樹脂を主成分として含有し、かつ複数の樹脂の混合物を含んであってもよい。
溶液による製膜が容易で物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂およびポリアクリロニトリル系樹脂が好ましく、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはそれを主成分とする樹脂が、化学的強度（特に耐薬品性）と物理的強度を併せ有する特徴をもつためより好ましく用いられる。
【０３２９】
分離膜は、さらに好ましくは、フッ素樹脂系高分子を含む中空糸膜であり、三次元網目構造と球状構造の両方を有し、三次元網目構造中に脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種を有する親水性高分子、またはセルロースエステルを含有することで親水性を有する中空糸膜である。
【０３３０】
ここで、三次元網目構造とは、固形分が三次元的に網目状に広がっている構造を意味する。三次元網目構造は、網を形成する固形分に仕切られた細孔およびボイドを有する。
また、球状構造とは、多数の球状もしくは略球状の固形分が、直接もしくは筋状の固形分を介して連結している構造を意味する。
【０３３１】
また、分離膜は、球状構造層と三次元網目構造層以外の層、例えば多孔質基材などの支持体層を含んでいても良い。多孔質基材としては、有機材料、無機材料等、特に限定されないが、軽量化しやすい点から有機繊維が好ましい。多孔質基材は、さらに好ましくは、セルロース系繊維、酢酸セルロース系繊維、ポリエステル系繊維、ポリプロピレン系繊維、ポリエチレン系繊維などの有機繊維からなる織布や不織布である。
【０３３２】
三次元網目構造層と球状構造層の上下や内外の配置は、ろ過方式によって変えることができるが、三次元網目構造層が分離機能を担い、球状構造層が物理的強度を担うため、三次元網目構造層を分離対象側に配置することが好ましい。特に、汚れ物質の付着によるろ過性能の低下を抑制するためには、分離機能を担う三次元網目構造層を分離対象側の最表層に配置することが好ましい。
【０３３３】
また平均細孔径は、使用する目的や状況に応じて適宜決定することができるが、ある程度小さい方が好ましく、通常は０.０１μｍ以上１μｍ以下であることが良い。中空糸膜の平均細孔径が０.０１μｍ未満であると、糖や蛋白質などの成分やその凝集体などの膜汚れ成分が細孔を閉塞して、安定運転ができなくなる。透水性能とのバランスを考慮した場合、好ましくは０．０２μｍ以上であり、さらに好ましくは０．０３μｍ以上である。また、１μｍを超える場合、膜表面の平滑性と膜面の流れによる剪断力や、逆洗やエアースクラビングなどの物理洗浄による細孔からの汚れの成分の剥離が不十分となり、安定運転ができなくなる。さらに中空糸膜の平均細孔径が細胞の大きさに近づくと、これらが直接孔を塞いでしまう場合がある。また発酵液中の細胞の一部が死滅することにより細胞の破砕物が生成する場合があり、これらの破砕物によって中空糸膜の閉塞することから回避するために、平均細孔径は０.４μｍ以下が好ましく、０.２μｍ以下であれば、より好適に実施することができる。
【０３３４】
ここで、平均細孔径は、倍率１０、０００倍以上の走査型電子顕微鏡観察で観察される複数の細孔の直径を測定し、平均することにより求めることができる。１０個以上、好ましくは２０個以上の細孔を無作為に選び、それら細孔の直径を測定し、数平均して求めることが好ましい。細孔が円状でない場合などは画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円、すなわち等価円を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求めることも好ましく採用できる。
【実施例】
【０３３５】
以下、本発明の実施の効果をさらに詳細に、実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（１）外圧式中空糸膜の作製
（ａ）質量平均分子量４１．７万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ−ブチロラクトンとを、それぞれ３８質量％と６２質量％の割合で１７０℃の温度で溶解した。この高分子溶液をγ−ブチロラクトンを中空部形成液体として随伴させながら口金から吐出し、温度２０℃のγ−ブチロラクトン８０質量％水溶液からなる冷却浴中で固化して球状構造からなる中空糸膜を作製した。【０３３６】
（ｂ）次いで、質量平均分子量２８．４万のフッ化ビニリデンホモポリマーを１４質量％、セルロースアセテートプロピオネート（イーストマンケミカル社製、ＣＡＰ４８２−０．５）を１質量％、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを７７質量％、Ｔ−２０Ｃを５質量％、水を３質量％の割合で９５℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。この製膜原液を、上記（ａ）で得られた球状構造からなる中空糸膜の表面に均一に塗布し、すぐに水浴中で凝固させることで、球状構造層の上に三次元編目構造を備える中空糸膜を作製した。こうして得られた中空糸膜を１２５℃飽和水蒸気と１時間接触させた。【０３３７】
（ｃ）上記（ｂ）で得られた中空糸膜の被処理水側表面の平均細孔径は、０．０４μｍであった。また、上記（ｂ）で得られた中空糸膜について純水透水量を評価したところ、５．５×１０-9ｍ3／ｍ2／ｓ／Ｐａであった。透水量の測定は、逆浸透膜による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで行った。【０３３８】
（２）外圧式中空糸膜モジュールの作製
上記（１）で製作した中空糸膜を用いて、分離膜モジュールを作製した。具体的には、中空糸膜をポッティング剤（サンユレック社製ポリウレタン、ＳＡ−７０６８Ａ／ＳＡ−７０６８Ｂ、各々の混合比は重量比で６４：１００となるように混合した）によって束ねた。また、中空糸膜の上端においてポッティング剤の一部を切り落とすことで、中空糸膜を開口させた。こうして束ねられた中空糸膜を、ポリスルホン樹脂製筒状容器製の筐体内に固定して、モジュールを形成した。なお、筐体のサイズは、内径１０ｍｍ、長さ１５ｃｍのものを使用した。【０３３９】
（実施例１）
製作した多孔性中空糸膜および膜ろ過モジュールを用いて、実施例１を行った。実施例１における運転条件は、特に断らない限り、以下のとおりである。【０３４０】
発酵槽容量：２（Ｌ）
発酵槽有効容積：１．５（Ｌ）
使用分離膜：ポリフッ化ビニリデン中空糸膜２２本（有効長８ｃｍ、総有効膜面積０．０２３ｍ２)
中空糸膜モジュール本数：１２本。図４の様に、中空糸膜モジュール３本を直列に接続し、これを４系列設置した。
温度調整：３２（℃）
発酵槽通気量：窒素ガス０．２（Ｌ／ｍｉｎ）
発酵槽攪拌速度：６００（ｒｐｍ）
ｐＨ調整：３ＮＣａ(ＯＨ)２によりｐＨ６に調整
乳酸発酵培地供給：発酵槽液量が約１．５Ｌで一定になる様に制御して添加
発酵液循環装置によるクロスフロー流束：０．３（ｍ／ｓ）
膜ろ過流量制御：吸引ポンプによる流量制御
間欠的なろ過処理：ろ過処理（９分間）〜ろ過停止処理（９分間）の周期運転
膜ろ過流束：０．０１（ｍ／日）以上０．３（ｍ／日）以下の範囲で膜間差圧が２０ｋＰａ以下となる様に可変。膜間差圧が範囲を超えて上昇し続けた場合は、連続発酵を終了した。【０３４１】
培地は１２１℃、２０分での飽和水蒸気下の蒸気滅菌をして用いた。微生物としてSporolactobacillus laevolacticus  JCM2513（ＳＬ株）を用い、培地として表１に示す組成の乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、下記に示したＨＰＬＣ（high performance liquid chromatography；高速液体クロマトグラフィー）を用いて以下の条件下で行った。【０３４２】
【表１】
2014204002.tif 000004
【０３４３】
カラム：Shim-Pack SPR-H（島津社製）
移動相：５ｍＭ  p-トルエンスルホン酸（０．８ｍＬ／ｍｉｎ）
反応相：５ｍＭ  ｐ−トルエンスルホン酸、２０ｍＭ  ビストリス、０．１ｍＭ  ＥＤＴＡ・２Ｎａ（０．８ｍＬ／ｍｉｎ）
検出方法：電気伝導度
カラム温度：４５℃【０３４４】
なお、乳酸の光学純度の分析は、以下の条件下で行った。
カラム：TSK-gel Enantio L1（東ソー社製）
移動相：１ｍＭ  硫酸銅水溶液
流束：１．０ｍＬ／分
検出方法 ：ＵＶ  ２５４ｎｍ
温度：３０℃【０３４５】
Ｄ−乳酸の光学純度は、次式で計算される。
光学純度（％）＝１００×（Ｄ−Ｌ）／（Ｄ＋Ｌ）【０３４６】
ここで、ＬはＬ−乳酸の濃度を表し、ＤはＤ−乳酸の濃度を表す。【０３４７】
培養は、まずＳＬ株を試験管で５ｍＬの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地１００ｍＬに植菌し、１００ｍＬ容坂口フラスコで２４時間、３０℃で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図４に示す膜分離型連続発酵装置１０３の１．５Ｌの発酵槽に培地を入れて植菌し、発酵槽１を付属の攪拌装置４によって攪拌し、発酵槽１の通気量の調整、温度調整、ｐＨ調整を行い、循環ポンプ１１を稼働させることなく、２４時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、循環ポンプ１１を稼働させ、前培養時の運転条件に加え、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵液量を１．５Ｌとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるＤ−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、ろ過ポンプ１２１、１２２、１２３とろ過制御バルブ１３１、１３２、１３３によりろ過量が発酵培地供給流量と同一となるように制御した。適宜、膜透過発酵液中の生産されたＤ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。【０３４８】
膜分離型連続発酵装置１０３において、間欠ろ過処理のろ過停止処理中に逆圧洗浄を行いながらＤ−乳酸の連続発酵を行った。間欠ろ過処理は、図４に示すようなフローにより分離膜モジュール並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３を配置し、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３の逆圧洗浄処理が重複しないよう制御した。間欠ろ過処理は、全分離膜モジュールを２分間ろ過処理運転し、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ１のみ１分間逆圧洗浄処理する。その後、再度全分離膜モジュールを２分間運転し、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ２のみ１分間逆圧洗浄処理する。再度全分離膜モジュール２を２分間運転し、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ３のみ１分間逆圧洗浄処理した。該間欠ろ過処理を連続して繰り返すことにより連続発酵しながら、生産されたＤ−乳酸を回収した。逆圧洗浄の流束はろ過流束の２倍に設定して、蒸留水を用いて逆圧洗浄を行った。【０３４９】
上記の間欠ろ過処理による連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す膜分離型連続発酵装置１０３において、連続発酵を４００時間行うことができ、Ｄ−乳酸生産速度は最大４．２ｇ／Ｌ／ｈｒで、膜間差圧の上昇もなく安定的に運転できた。【０３５０】
（実施例２）
実施例２は、膜分離型連続発酵装置１０３において、分離膜モジュール並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３を同時に間欠ろ過処理のろ過停止処理し、ろ過停止処理中に逆圧洗浄を行いながらＤ−乳酸の連続発酵を行った。間欠ろ過処理は、全分離膜モジュールを２分間運転し、その後全分離膜モジュールを１分間逆圧洗浄処理し、再度全分離膜モジュールを６分間ろ過運転する。該間欠ろ過処理を連続して繰り返すことにより連続発酵しながら、生産されたＤ−乳酸を回収した。その他の条件は、実施例１と同様である。【０３５１】
上記の間欠ろ過処理による連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す膜分離型連続発酵装置１０３において、連続発酵を３８０時間行うことができ、Ｄ−乳酸生産速度は、最大４．０ｇ／Ｌ／ｈｒであった。膜間差圧の上昇もなく安定的に運転できた。【０３５２】
【表２】
2014204002.tif 000005
【０３５３】
本出願は、２０１３年６月２１日出願の日本特許出願、特願２０１３−１３０３６８に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０３５４】
本発明のろ過装置によれば、複数の分離膜モジュール間で設備を共有することができ、分離膜モジュールの直列配置によるクロスフロー流量の低減と併せて、設備を簡素化することができる。
【符号の説明】
【０３５５】
１：発酵槽
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１：分離膜モジュール
Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２：分離膜モジュール
Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３：分離膜モジュール
Ｅ１、Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１：分離膜モジュール
Ｅ２、Ｆ２、Ｇ２、Ｈ２：分離膜モジュール
Ｅ３、Ｆ３、Ｇ３、Ｈ３：分離膜モジュール
３：温度制御装置
４：撹拌装置
５：ｐＨセンサ
６：レベルセンサ
７：気体供給装置
８：水供給ポンプ
９：培地供給ポンプ
１０：ｐＨ調整剤供給ポンプ
１１：循環ポンプ
１２１、１２２、１２３：ろ過ポンプ
１３１、１３２、１３３：ろ過制御バルブ
１４：洗浄液ポンプ
１５１、１５２、１５３：洗浄液バルブ
１６１、１６２、１６３：ろ過ポンプ
１７１、１７２、１７３：ろ過制御バルブ
１８１、１８２、１８３：洗浄液バルブ
２０：送液ライン
２１、２２、２３、２４：被ろ過液配管
４０、４０１：膜洗浄装置
４１、４２、４３、４４、４５、４６：透過液流量センサ
５１、５２、５３：ろ過運転制御装置
６０：還流ライン
６１、６２、６３、６４：循環液配管
６１１、６１２、６１３：直列非透過液流路
５０１、５０２、５０３：制御部
１０１、１０２、１０３、１０４：連続発酵装置
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５：ろ過装置  
ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３、ＰＵ４：分離膜モジュール並列ユニット 
ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３、ＳＵ４、ＳＵ１１、ＳＵ１２：分離膜モジュール直列ユニット
ａ１１、ａ１２、ａ１３、ａ１４、ａ１５、Ａ１、Ａ２、Ａ３：中空糸膜モジュール
ａ２：中空糸膜
ａ２ａ：中空糸膜小束
ａ３：筒状ケース
ａ４１、ａ４２：中空糸膜集束部材
ａ５：小束閉塞部材
ａ６：上キャップ
ａ７：下キャップ
７０１、７０２：被ろ過液入口
７０１ａ、７０２ａ：被ろ過液ノズル
７１１：濃縮液出口
７１１ａ：濃縮液ノズル
８０、８１：ドレン排出口
８０ａ、８１ａ：ドレン排出ノズル
９１、９２：ろ過液出口
９２ａ：ろ過液排出ノズル
【図１】
2014204002.tif 000006
【図２】
2014204002.tif 000007
【図３】
2014204002.tif 000008
【図４】
2014204002.tif 000009
【図５】
2014204002.tif 000010
【図６】
2014204002.tif 000011
【図７】
2014204002.tif 000012
【図８】
2014204002.tif 000013
【図９】
2014204002.tif 000014
【図１０】
2014204002.tif 000015
【図１１】
2014204002.tif 000016
【図１２】
2014204002.tif 000017
【図１３】
2014204002.tif 000018
【図１４】
2014204002.tif 000019
【図１５】
2014204002.tif 000020
【図１６】
2014204002.tif 000021
【図１７】
2014204002.tif 000022
【図１８】
2014204002.tif 000023
【国際調査報告】
2014204002.tif 000024
2014204002.tif 000025
2014204002.tif 000026
2014204002.tif 000027