(57)【要約】  中空糸膜モジュール（１０１）の筐体（３０）が、該筐体（３０）におけるノズル（８）を設けた部分に対向する整流筒（９）の内径よりも小さい内径を有する小径部（３Ｂ）を中空糸膜モジュール（１０１）の軸方向において整流筒（９）の下端よりも下側に設けられる、または、整流筒（９）が、筐体（３０）におけるノズル（８）を設けた部分に対向する整流筒（９）の内径よりも小さい内径を有する小径部（９Ｇ）を中空糸膜モジュール（１０１）の軸方向において整流孔（１０）の存在範囲よりも下側に設けられる。
2015098266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
該中空糸膜束の少なくとも第１端部が開口した状態で前記中空糸膜束が集束固定された第１集束固定部と、
前記第１端部寄りの側面に少なくとも１つのノズルを有し、前記中空糸膜束を収容する筐体と、
複数の整流孔を有し、前記第１集束固定部と前記筐体との間に介在し、前記第１集束固定部と前記筐体との間を液密に固定する整流筒と、
を備えた中空糸膜モジュールであって、
（ｉ）前記筐体が、該筐体における前記ノズルを設けた部分に対向する前記整流筒の内径よりも小さい内径を有する小径部を前記中空糸膜モジュールの軸方向において前記整流筒の下端よりも下側に設けられること、または、（ｉｉ）前記整流筒が、前記筐体における前記ノズルを設けた部分に対向する前記整流筒の内径よりも小さい内径を有する小径部を前記中空糸膜モジュールの軸方向において前記整流孔よりも下側に設けられる中空糸膜モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記第１集束固定部と前記整流筒との間を第１シール材により液密に固定する中空糸膜モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記筐体と前記整流筒との間を第２シール材により液密に固定する中空糸膜モジュール。
【請求項４】
請求項１に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記第１集束固定部と前記整流筒、前記筐体と前記整流筒の間を接着固定により液密に固定する中空糸膜モジュール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記中空糸膜モジュールの軸方向における前記第１集束固定部の下端の最外径と、前記中空糸膜モジュールの軸方向における前記第１集束固定部の下端での前記中空糸膜の少なくとも前記第１端部が存在する中空糸膜存在領域の最外径とが、以下の式を満たす中空糸膜モジュール。
Ｄｆ  ＜  Ｄｕ
但し、
Ｄｆ：前記第１集束固定部の下端での前記中空糸膜存在領域の最外径
Ｄｕ：前記第１集束固定部の下端の最外径
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記筐体または前記整流筒に設けられる前記小径部が、前記中空糸膜モジュールの軸方向において上方にあたる側面から、テーパー状に縮径されてなる中空糸膜モジュール。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記中空糸膜の第２端部を封止した状態で束ねる第２集束固定部と、
前記第１集束固定部を前記筐体に対して着脱可能に固定する固定部と、
前記第１集束固定部と前記筐体との間を液密に封止するシール部と、
前記第２集束固定部を前記筐体に対して、着脱可能に、かつ前記第２集束固定部と前記筐体との間を通液可能に保持する保持部と、
を更に備える中空糸膜モジュール。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記中空糸膜の第２端部を封止した状態で束ねる第２集束固定部と、
前記整流筒を前記筐体に対して着脱可能に固定する第１固定部と、
前記整流筒と前記筐体の間を液密に封止する第１シール部と、
前記第１集束固定部を前記整流筒に対して着脱可能に固定する第２固定部と、
前記第１集束固定部と前記整流筒との間を液密に封止する第２シール部と、
前記第２集束固定部を前記筐体に対して、着脱可能に、かつ前記第２集束固定部と前記筐体との間を通液可能に保持する保持部と、
を更に備える中空糸膜モジュール。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記第１端部が存在する中空糸膜存在領域の最外径と前記整流筒内面の間隔Ｌ１が、以下の式を満たす中空糸膜モジュール。
Ｌ１  ≧  ３ｍｍ
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールであって、
前記第１端部が存在する中空糸膜存在領域の最外径と前記整流筒内面の間隔Ｌ１と、前記筐体の前記ノズルが設置されている位置における前記筐体内面と前記整流筒外面の間隔Ｌ２が、以下の式を満たす中空糸膜モジュール。
１０  ≧  Ｌ２／Ｌ１  ≧  ０．５
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理分野、発酵工業分野、医薬品製造分野、食品工業分野などで使用する中空糸膜モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産方法である発酵法は、発酵の回数毎に微生物や培養細胞ならびに原料を準備する回分発酵法と、微生物や培養細胞に対して原料を順次加えて発酵を維持する連続発酵法とに大別できる。【０００３】
連続発酵法において、発酵培養液を分離膜により濾過して、濾液から化学品を回収すると同時に、微生物や培養細胞を含む濃縮された発酵培養液を還流させることにより、発酵培養液中の微生物濃度や培養細胞濃度を、高く維持する方法が提案されている。【０００４】
特に分離膜については、従来使用された平膜よりも、膜面積を効率的に増大可能な中空糸膜を用いる手法が採用されており、通常運転時および一定時間の運転後に膜を洗浄し、中空糸膜の濾過性能を回復させることで、より長く効率的に発酵生産効率を高めることができる。【０００５】
中空糸膜モジュールでは、多数本の中空糸膜を束ねて固定するために、中空糸膜束の両端を樹脂で固定している。また中空糸膜束を収容する筐体の上方側面には、循環や洗浄液の排出に用いられる上部ノズルが設けられている。また、中空糸膜束の上部周りには環状の整流筒が配置される場合もあり、整流筒の側面壁には、ノズルに連通する整流孔が形成されている。【０００６】
従来、中空糸膜束を筐体に密に充填して、筐体容積あたりの有効膜面積を増大させようとすると、筐体と整流筒との間で構成される環状流路が狭くなり、濃縮液や洗浄液を排出する場合に、高い圧力損失が生じる現象があった。この場合、濾過運転に必要な駆動力や洗浄時の洗浄液供給圧力を上昇させる必要が生じ、濾過運転費用が増大する問題が発生する。【０００７】
このような筐体とノズルと中空糸膜との位置に関係する問題の解決として、例えば特許文献１に示すように、筐体の内径が整流筒に面した部分でケースの中央部に近づくほど小さくなるようなテーパーを有することが有効とされ、また、特許文献２では、モジュール洗浄後の気液混合液の排出を効率的に行うための形状が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】日本国特公平７−７９９５３号公報
【特許文献２】日本国特開２０１０−２３４２００号公報
【特許文献３】国際公開第２００８／０３５５９３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
中空糸膜束は、中空糸膜モジュールを作製する作業性やモジュール洗浄における中空糸膜の洗浄性を鑑み、緩みを持つ状態で両端の樹脂を介して筐体内に装着されている。緩みがあるとは、上方の樹脂１１の下端から下方の樹脂１２の上端までの位置的な直線距離Ｌ（図２１参照）よりも、上方の樹脂１１の下端から下方の樹脂１２の上端までの中空糸膜の長さの方が長い状態を指す。【００１０】
濾過前の原液となる発酵培養液や洗浄液は、整流筒９に形成された整流孔１０を経て、整流筒周囲の環状流路３５へ流出するが、図１１、図１２のように、排出されようとする濾液や洗浄液の流れに中空糸膜１が随伴され、整流孔１０を閉塞させやすいという現象が生じた。同様に、濾過運転時における運転駆動力や洗浄液の供給圧力が増大する問題が発生した。また、中空糸膜１が随伴されて整流孔１０を閉塞することで、中空糸膜１自身が損傷する問題も発生した。【００１１】
この問題の解決として、特許文献３のように整流筒内壁面に溝を形成することで中空糸膜が整流筒を閉塞することを防止できた。ただし、発酵培養液や洗浄液を高流量で流すなど過酷な条件で使用すると、中空糸膜束の外縁部にある中空糸膜が、整流筒側周面に形成した溝に接触することにより、中空糸膜が削れて損傷する可能性が懸念される。
さらに、濾過前の原液となる発酵培養液や洗浄液の流れに中空糸膜束２が随伴されて浮き上がって中空糸膜１の緩みを助長することで、中空糸膜１が整流孔１０を閉塞させるリスクが高まる懸念もある。【００１２】
本発明は、中空糸膜モジュールに高流量の濾過前の原液を送液、循環する場合や膜洗浄液など中空糸膜モジュールから排出、循環する場合、孔への中空糸膜張り付きによる圧力損失の増大を防止するとともに、中空糸膜の損傷を防止する、中空糸膜モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために、本発明は以下の（１）〜（１０）の技術を提供する。
（１）複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、該中空糸膜束の少なくとも第１端部が開口した状態で前記中空糸膜束が集束固定された第１集束固定部と、前記第１端部寄りの側面に少なくとも１つのノズルを有し、前記中空糸膜束を収容する筐体と、複数の整流孔を有し、前記第１集束固定部と前記筐体との間に介在し、前記第１集束固定部と前記筐体との間を液密に固定する整流筒と、を備えた中空糸膜モジュールであって、（ｉ）前記筐体が、該筐体における前記ノズルを設けた部分に対向する前記整流筒の内径よりも小さい内径を有する小径部を前記中空糸膜モジュールの軸方向において前記整流筒の下端よりも下側に設けられること、または、（ｉｉ）前記整流筒が、前記筐体における前記ノズルを設けた部分に対向する前記整流筒の内径よりも小さい内径を有する小径部を前記中空糸膜モジュールの軸方向において前記整流孔よりも下側に設けられる中空糸膜モジュール。
（２）前記第１集束固定部と前記整流筒との間を第１シール材により液密に固定する（１）に記載の中空糸膜モジュール。
（３）前記筐体と前記整流筒との間を第２シール材により液密に固定する（１）または（２）に記載の中空糸膜モジュール。
（４）前記第１集束固定部と前記整流筒、前記筐体と前記整流筒の間を接着固定により液密に固定する（１）に記載の中空糸膜モジュール。
（５）前記中空糸膜モジュールの軸方向における前記第１集束固定部の下端の最外径と、前記中空糸膜モジュールの軸方向における前記第１集束固定部の下端での前記中空糸膜の少なくとも前記第１端部が存在する中空糸膜存在領域の最外径とが、以下の式を満たす（１）〜（４）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
Ｄｆ  ＜  Ｄｕ
但し、
Ｄｆ：前記第１集束固定部の下端での前記中空糸膜存在領域の最外径
Ｄｕ：前記第１集束固定部の下端の最外径
（６）前記筐体または前記整流筒に設けられる前記小径部が、前記中空糸膜モジュールの軸方向において上方にあたる側面から、テーパー状に縮径されてなる（１）〜（５）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（７）前記中空糸膜の第２端部を封止した状態で束ねる第２集束固定部と、前記第１集束固定部を前記筐体に対して着脱可能に固定する固定部と、前記第１集束固定部と前記筐体との間を液密に封止するシール部と、前記第２集束固定部を前記筐体に対して、着脱可能に、かつ前記第２集束固定部と前記筐体との間を通液可能に保持する保持部と、を更に備える（１）〜（６）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（８）前記中空糸膜の第２端部を封止した状態で束ねる第２集束固定部と、整流筒を前記筐体に対して着脱可能に固定する第１固定部と、前記整流筒と前記筐体の間を液密に封止する第１シール部と、前記第１集束固定部を整流筒に対して着脱可能に固定する第２固定部と、前記第１集束固定部と前記整流筒との間を液密に封止する第２シール部と、前記第２集束固定部を前記筐体に対して、着脱可能に、かつ前記第２集束固定部と前記筐体との間を通液可能に保持する保持部と、を更に備える（１）〜（６）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（９）前記第１端部が存在する中空糸膜存在領域の最外径と前記整流筒内面の間隔Ｌ１が以下の式を満たす（１）〜（８）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
Ｌ１  ≧  ３ｍｍ
（１０）前記第１端部が存在する中空糸膜存在領域の最外径と前記整流筒内面の間隔Ｌ１と、前記筐体の前記ノズルが設置されている位置における前記筐体内面と前記整流筒外面の間隔Ｌ２が、以下の式を満たす（１）〜（９）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
１０  ≧  Ｌ２／Ｌ１  ≧  ０．５
【発明の効果】
【００１４】
本発明の中空糸膜モジュールによれば、高い循環流量時の圧力損失の増大を防止しつつ、中空糸膜と整流筒内壁面に形成した溝との接触によって生じる、中空糸膜の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュールの概略縦断面
【図２】第１実施形態の中空糸膜カートリッジの概略縦断面
【図３】第１実施形態の筐体における概略縦断面
【図４】第１実施形態の整流筒における斜視図
【図５】第１実施形態の整流筒の概略縦断面
【図６】第１実施形態の第１ポッティングの概略縦断面
【図７】第１実施形態におけるクロスフロー流の循環経路図
【図８】第１実施形態におけるろ過液の流れ経路図
【図９】図８におけるＰ部分の拡大図
【図１０】第１実施形態におけるカートリッジ式中空糸膜モジュール上方の概略縦断面
【図１１】従来型カートリッジ式中空糸膜モジュール上方の概略縦断面
【図１２】従来型カートリッジ式中空糸膜モジュール上方の概略縦断面
【図１３】図１０におけるＱ部分の拡大図
【図１４】筐体における他の実施形態
【図１５】筐体における他の実施形態
【図１６】筐体における他の実施形態
【図１７】中空糸膜モジュールにおける他の実施形態
【図１８】中空糸膜モジュールにおける他の実施形態
【図１９】中空糸膜モジュールにおける他の実施形態
【図２０】中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜の緩みが整流孔の存在する範囲に発生した状態を示す概略縦断面図
【図２１】中空糸膜存在領域の最外径と整流筒内面の間隔Ｌ１、筐体に設置した側面のノズルが設置されている位置における筐体内面と整流筒外面との間隔Ｌ２、筐体に設置した側面のノズルの内径Ｌ３を示す図
【図２２】シール材を筐体の軸方向に圧縮する構造の例を示し、装填方向に垂直な面同士での圧縮の例を示す概略断面図
【図２３】シール材を筐体の軸方向に圧縮する構造の例を示し、シール材を押圧する整流筒の面が斜面である例を示す概略断面図
【図２４】シール材を筐体の軸方向に圧縮する構造の例を示し、シール材を押圧する第１集束固定部の面が斜面である例を示す概略断面図
【図２５】シール材を筐体の軸方向に圧縮する構造の例を示し、シール材を押圧する整流筒及び第１集束固定部の面が斜面である例を示す概略断面図
【図２６】シール部分の拡大断面図であり、整流筒の内周面に設ける凸部が矩形形状である例を示す拡大断面図
【図２７】シール部分の拡大断面図であり、第１集束固定部に縮径部が設けられてない例を示す拡大断面図
【図２８】第２実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュールの第１集束固定部付近の概略縦断面図
【図２９】第２実施形態の中空糸膜モジュールの整流筒と第１集束固定部とが接着している状態を示す図
【図３０】第３実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュールの第１集束固定部付近の概略縦断面図
【図３１】第３実施形態の中空糸膜モジュールが整流筒を備えないことを説明する図
【図３２】第１シール材を少なくとも筐体本体の仮想軸方向に圧縮することで中空糸膜カートリッジを容易に着脱可能なシール構造とした実施形態を示す拡大断面図
【図３３】第１シール材を受ける面の水平方向との傾斜αと、第２シール材を受ける面の水平方向との傾斜とを変える実施形態を示す拡大断面図
【図３４】第４実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュールの概略縦断面図
【図３５】第４実施形態にかかる中空糸膜カートリッジの概略断面図である。
【図３６】図３４のＡ−Ａ線断面図である。
【図３７】図３４のカートリッジ式中空糸膜モジュールの保持部の側面図
【図３８】図３４のカートリッジ式中空糸膜モジュールの保持部付近の拡大図
【図３９】図３４のカートリッジ式中空糸膜モジュールの保持部付近の拡大図
【図４０】図３４のカートリッジ式中空糸膜モジュールの保持部付近の拡大図
【図４１】カートリッジ式中空糸膜モジュールの保持部付近の別の実施形態の拡大図
【図４２】カートリッジ式中空糸膜モジュールの保持部付近の別の実施形態の拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態にかかる中空糸膜モジュールを図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明において、「上」、「下」は、図面に示す状態に基づいており、便宜的なものであって、原水が流入する側を「下」方向、ろ過液が流出する側を「上」方向とする。通常、中空糸膜モジュールの使用時の姿勢において、上下方向は、図面における上下方向と一致するが、横に倒して使用するモジュールの場合は、「上」は第１端部側を指し、「下端」「下側」はそれぞれ、各部材における他端に相当することになる。
【００１７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる中空糸膜モジュールの構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュールの概略縦断面図である。なお、筐体と中空糸膜束とが分離可能なカートリッジ式を例に説明するが、本発明を実施するための形態はこの限りではなく、第１集束固定部と整流筒、筐体と整流筒の間を接着固定により液密に固定していても構わない。
【００１８】
なお、整流筒を接着固定しない場合は、整流筒を容易に再利用でき、また接着面が無くシール材で保持するので、接着面の剥離などの懸念がない、などのメリットがある。
【００１９】
本実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１は、筐体３０（図３参照）と、整流筒９と、複数の中空糸膜１（図２参照）を束ね前記整流筒９内に収容した中空糸膜束２と、前記中空糸膜束２の第１端部を開口した状態で束ねる第１集束固定部１１と、前記中空糸膜束２の第２端部を封止した状態で束ねる第２集束固定部１２と、前記筐体３０と前記整流筒９との間を液密に封止する第１シール材１５と、前記整流筒９と前記第１集束固定部１１との間を液密に封止する第２シール材１６と、を備えている。
【００２０】
＜モジュール構造＞
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の構造を図１に示す。
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１は、筐体３０と、整流筒９と、整流筒９内に収容された図２に示す中空糸膜カートリッジ１００とを備える。
【００２１】
＜筐体＞
筐体３０について図３を用いて説明する。
筐体３０は、複数の径を有する段付き略筒状の筐体本体３と、筐体本体３の上端側開口部に覆い被せて設置する上部キャップ４と、筐体本体３の下端側開口を下から覆うように設置する下部キャップ５とで構成されている。上部キャップ４と筐体本体３および筐体本体３と下部キャップ５は、それぞれガスケットとクランプにより液密に接続（以降、シールと呼ぶ）する。
【００２２】
筐体本体３は、上方を大径部３Ａ、下方を小径部３Ｂとする複数径を有する形状とした。大径部３Ａと小径部３Ｂは、筐体長手方向軸を共有する配置とし、大径部３Ａの内周面と小径部３Ｂの内周面とをテーパー状に接続した。
大径部３Ａの側面には原液流出口８（ノズル）を設けた。また、筐体本体３のその上端には鍔部３Ｃを、下端には鍔部３Ｄを、それぞれ筐体本体３の全周に亘って設けた。
【００２３】
上部キャップ４は、下方に筐体本体３上端の内径と略等しい内径を有し、筐体本体３上端の鍔部３Ｃと同じ断面形状である鍔部４Ｃを有す。上端側に向かい縮径し、上端に濾過液出口７を形成している。上部キャップ４の下端側内周には、段部４Ａが全周に亘って形成されている。また段部４Ａには、筐体本体３の長手方向軸と垂直になる平面４Ｆを全周に亘って形成した。中空糸膜カートリッジ１００を組み立てた際、平面４Ｆは、図１のように第１集束固定部１１上端のガスケット１８（後述）を圧縮する。
【００２４】
下部キャップ５は下方に筐体本体３下端の内径と略等しい内径を有し、筐体本体３下端の鍔部３Ｄと同形状の鍔部５Ｄを有す。下端側に向かい縮径して原液流入口６を形成している。
【００２５】
＜整流筒＞
整流筒９について、図４および図５を用いて説明する。
整流筒９は筒状形状であり、側周面に複数の整流孔１０を有する。上端には鍔部９Ｃを設け、鍔部９Ｃを筐体本体３の上端面と上部キャップ４の下端面との間に挟み込み装着する。鍔部９Ｃ、筐体本体３の上端面、上部キャップ４の下端面は、整流筒９を筐体３０（筐体本体３）に対して着脱可能に固定する第１固定部として機能する。装着後、整流筒９ｂの下端は、筐体本体３の原液流出口８よりも下方に位置する。中央より上方の外周側面には第１シール材１５（シール部材）を嵌め込むためのＯリング溝３１を設けた。整流孔１０は、Ｏリング溝３１より下側に形成される。Ｏリング溝３１に第１シール材１５を嵌めた状態で整流筒９を筐体本体３に挿入することで、筐体本体３内周面と整流筒９外周面とが第１シール材１５によってシールされる。整流筒９の中央より上方の内周面の全周に亘って、略直角三角形の断面形状を有する凸部９Ｅを設けた。凸部９Ｅの断面は、筐体本体３の長手方向軸に平行な辺と、筐体本体３の長手方向軸を通り長手方向軸に垂直な辺との２辺を有し、かつ、筐体本体３の径方向中心軸に向かって、下向きに傾斜する辺を有する略直角三角形状を有する。
【００２６】
整流筒に設けられている整流孔の形状は、モジュール内の流れを整流する効果があれば特に制限はなく、円形、楕円形、多角形、またスリット状などの形状が好ましく使用され、幾つかの形状の孔を混合して使用しても良い。
【００２７】
また整流孔の配置に特に限定は無い。整流筒内面に均等に配置しても良いし、筐体側面のノズル付近において、モジュールから排出される液量が多くなることが予想される場合は、筐体側面のノズル付近の整流孔の開口を少なくしても良い。
【００２８】
＜カートリッジ＞
図２に示すように、中空糸膜カートリッジ１００は、複数の中空糸膜１を含む中空糸膜束２と、中空糸膜束２の上端側で中空糸膜束２を接着固定する第１集束固定部１１と、中空糸膜束２の下端側で中空糸膜束２を接着固定する第２集束固定部１２とを備える。
【００２９】
＜第１集束固定部＞
第１集束固定部１１について図６を用いて説明する。
中空糸膜束２の上端部において、中空糸膜カートリッジ１００の上端側に配置される第１集束固定部１１は、中空糸膜束２を構成する複数の中空糸膜１同士の間隙を樹脂で接着固定することで形成される。中空糸膜束２の上端は、中空糸膜１が開口された状態で束ねられている。第１集束固定部１１は段付きの略円柱状であり、第１集束固定部１１の中央より下方の側面には、全周に亘って、段部１１Ｅが設けられている。段部１１Ｅよりも上方の外径が段部１１Ｅよりも下方にあたる外径よりも大きくなるよう形成されている。
【００３０】
中空糸膜束２は、第１集束固定部１１の径方向の中央寄りに位置するよう形成される。中空糸膜束２の存在領域３２の略外径Ｄｆは、第１集束固定部１１の最外径Ｄｕよりも小さく、かつ第１集束固定部１１の下側小径部の外径Ｄｄよりも小さくした。これにより第１集束固定部１１の下端における中空糸膜束２の存在領域を第１集束固定部１１の下側小径部の外径Ｄｄ同等以下とでき、整流孔１０への中空糸膜束２の張り付き予防効果を高めることができる。中空糸膜束２は第１集束固定部を形成する型枠にて規制して樹脂注入を行い、中央に配置したが、中空糸膜束２を事前に着脱可能なテープなどで結束することによって中央に寄せる方法でも良い。
【００３１】
なお、中空糸膜束２が開口状態となるように樹脂で接着固定してなる第１集束固定部は以下方法にて作製した。中空糸膜束２を、少量の樹脂などで中空部の目止めを行った状態で型枠に設置し、第１集束固定部１１を形成する樹脂を流し込んで、中空糸膜１間を接着し集束する。集束された中空糸膜束２とその周囲に形成された型枠形状の樹脂を型枠から取り出し、目止めを施した中空糸膜束２の先端側を樹脂ごと切断することで第１集束固定部を作製する。
【００３２】
＜第２集束固定部＞
図１、図２に示すように、筐体本体３の下方、原液流入口６側には、中空糸膜カートリッジ１００の下端側である第２集束固定部１２を配置した。第２集束固定部１２は、第２集束固定部ケース１３内に樹脂を注入せしめ、多数本の中空糸膜１から成る中空糸膜束２の第２端部を埋没かつ中空糸膜１の中空部３３（図８および図９参照）を閉塞させてなる。第２集束固定部ケース１３は下方に底部を有する円筒形状であり、その外径は筐体本体３の内径よりも小さく構成した。また、第２集束固定部１２は、中空糸膜束２と略平行で、かつ、第２集束固定部ケース１３とその内部に充填した樹脂とを貫通する貫通孔１４を、複数有している。
【００３３】
＜クロスフロー＞
本発明におけるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１はクロスフロー濾過運転にも用いる。本実施形態におけるクロスフローの流れ方(循環経路)を、図７を用いて説明する。
【００３４】
クロスフローでは、濾過前の原液は筐体本体３下方の原液流入口６から入り、第２集束固定部１２の貫通孔１４および第２集束固定部１２と筐体本体３の間のいずれかを通過し、中空糸膜の濾過部１１０に入る。濾過部１１０とは、第２集束固定部１２の上端よりも上方かつ第１集束固定部１１の下端よりも下方にあたる空間のことを指す。原液は、濾過部１１０で、中空糸膜束２の側を通過し、第１集束固定部１１の下で、整流筒９の内周側から整流筒９側面に設けた整流孔１０を通って整流筒９の外周側へ流出、または整流筒９の下端と筐体本体３との隙間を通過する。その後、整流筒９外周と筐体本体３の内周との間の環状流路３５を原液流出口８に向かって流れ、原液流出口８からカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１外へ流出する。原液流出口８から流出した原液は、配管に接続されたポンプなどを介して、再び原液流入口６から筐体本体３内へ流入する。このように、膜表面に対して原液を平行に流しながら濾過する方式をクロスフロー濾過と呼び、その流れをクロスフロー流と呼ぶ。膜面上を原液が平行に流れることにより、膜面上に付着した懸濁物質は原液の流れによってふるい落とされ、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１外に排出されるため、原液中の懸濁物質等が膜面に堆積するのを抑制する効果がある。
【００３５】
＜濾過液の流れ＞
本実施形態における濾過液の流れを、図８および図９を用いて説明する。
濾過部１１０に入った原液は、中空糸膜束２側を通過する「濃縮液」と、外圧により中空糸膜束２を構成する中空糸膜１の中空部３３に圧入されつつ濾過される「濾過液」とに分けられる。図８、図９の矢印に示すように、濾過液は中空糸膜１の中空部３３を上昇し、第１集束固定部１１内部を通過し、第１集束固定部１１の上端で開口している中空糸膜１の開口部を経て貯液部３４に入る。貯液部３４とは第１集束固定部１１の上端と上部キャップ４内面とで包囲される空間であり、貯液部３４に流入した濾過液は、上部キャップ４上端の濾過液出口７を経てカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１から流出する。
【００３６】
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールの組み立て方法＞
筐体本体３の上端開口から整流筒９（図４、図５）を筐体本体３（図３）の内側に配し、整流筒９の上端開口部から中空糸膜カートリッジ１００を挿入する。このとき整流筒９には第１シール材１５を、第１集束固定部１１には第２シール材１６およびガスケット１８を装着しておく。挿入した中空糸膜カートリッジ１００の下端に位置する第２集束固定部ケース１３を下部キャップ５に係合し、筐体本体３下端の鍔部３Ｄと下部キャップ５の鍔部５Ｄを、シール材を介してクランプで締め付けシールする。中空糸膜束２に緩みを持たせることで、中空糸膜カートリッジ１００の下端は筐体本体３下端よりはみ出しており、下部キャップ５の装着作業性も向上する利点がある。下部キャップ５をシール固定した後、筐体本体３上端の鍔部３Ｃと上部キャップ４の鍔部４Ｃを、シール材を介してクランプで締め付けシールする。このとき第１シール材１５は筐体本体３と整流筒９との間で圧縮され、第２シール材１６は整流筒９と第１集束固定部１１との間で同時に圧縮される。クランプの締め付けにより、筐体本体３と整流筒９の間および整流筒９と第１集束固定部１１との間も同時にシールし、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の組み立てが完了する。
【００３７】
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールの組み立て状態＞
上記組み立て方法により、筐体本体３の内側に整流筒９を配する。筐体本体３は上方に大径部３Ａ、大径部３Ａの下方に小径部３Ｂを有するが、大径部３Ａと小径部３Ｂとは筐体本体３の長手方向に同軸であり、大径部３Ａと小径部３Ｂをテーパー状の側面により接続する形状であることが好ましい。整流筒９は、大径部３Ａと小径部３Ｂとのテーパー状接続部から上方の範囲に収容されるように配され、整流筒９の下方には、筐体本体３の小径部３Ｂが位置する。整流筒９の鍔部９Ｃは、筐体本体３の鍔部３Ｃと上部キャップ４の下端の鍔部４Ｃとに狭圧固定される。
【００３８】
本実施の形態は図１０のように、小径部３Ｂの内径Ｄｉを、整流孔の存在する部分における整流筒９の内径Ｄ１よりも小さく、かつ、中空糸膜束２の存在領域３２の外径Ｄｆと近しい大きさとした。
【００３９】
従来技術で説明した通り、中空糸膜束２は、緩みを持つ状態で、第１集束固定部１１と第２集束固定部１２を介して筐体本体３内に装着されている。
【００４０】
中空糸膜１の緩みは原液に随伴されやすく、整流孔１０を閉塞させ、原液のクロスフロー流の圧力損失の上昇と、濾過運転時におけるポンプなどの運転駆動力の上昇を引き起こす。また、整流孔１０のエッジに押し付けられるため、中空糸膜１が損傷するなどの問題もある。
【００４１】
本発明におけるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１は、上方にて、中空糸膜束２が第１集束固定部１１の中央に位置するため、図１０のように中空糸膜１の存在領域３２の外径Ｄｆと整流筒９の内壁との間隙を設けることができ、結果、中空糸膜１による整流孔１０の閉塞を回避することができる。ノズル８を設けた部分の筐体本体３の内径すなわち大径部３Ａの内径Ｄｏと、ノズル８を設けた部分の整流筒９の内径すなわち整流孔の存在する範囲における整流筒の内径Ｄ１と、小径部３Ｂの内径Ｄｉとが、Ｄｉ＜Ｄ１＜Ｄｏの関係を満たすとき、中空糸膜１による整流孔１０の閉塞を回避することができる。
【００４２】
特に、中空糸膜１の存在領域３２の外径Ｄｆと整流筒９の内壁との間隙を中空糸膜１の緩み長さよりも大きくすることは、中空糸膜１が整流孔１０を塞ぐことを確実に防止できるため好ましい。具体的には、整流筒９の内径Ｄ１と、中空糸膜１の存在領域３２の外径Ｄｆと、第１集束固定部１１下端から第２集束固定部１２上端までの直線距離Ｌと、第１集束固定部１１下端から第２集束固定部１２上端までの中空糸膜１の平均長さＬｍの関係が、Ｄ１−Ｄｆ＞（Ｌｍ−Ｌ）／２を満たすと良い。上記関係式は、本実施の形態に近しい他の構造において、鋭意検討の結果見出したものである。また、より好ましくは、整流筒９の内径Ｄ１と、中空糸膜１の存在領域３２の外径Ｄｆと、第１集束固定部１１下端から第２集束固定部１２上端までの直線距離Ｌと、第１集束固定部１１下端から第２集束固定部１２上端までの中空糸膜１の平均長さＬｍの関係が、Ｄ１−Ｄｆ＞Ｌｍ−Ｌを満たす構造である。上記関係式を満たす構造であれば、図２０のように仮に中空糸膜１の緩みが整流孔１０の存在する範囲のみに偏り、整流孔１０に局所的に引き込まれた場合も、中空糸膜１が整流筒９の内壁に接触することがない確実な関係だからである。
【００４３】
さらに、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１は、筐体本体３の小径部３Ｂの内径Ｄｉと中空糸膜１の存在領域３２の外径Ｄｆを、第２集束固定部ケース１３と近しい大きさとした。下方に第２集束固定部ケース１３が装着された中空糸膜カートリッジ１００を筐体本体３の上端開口部から下端開口部まで挿入可能な範囲において、中空糸膜１の随伴範囲を極力小さくする効果がある。さらにこの構成によれば、整流筒９の上方と整流筒９の下方さらに第２集束固定部ケース１３にて中空糸膜束２を拘束し、中空糸膜束２の略外径を維持しているため、筐体本体３が大径部３Ａのみで構成されて内径が一定である従来の構造（図１１）に比べ、中空糸膜束２の外径拘束効果が高まり中空糸膜１の原液流れへの随伴を抑制する効果を高めることができる。なお、図１２に示すように、筐体本体３が内径一定に、小径部３Ｂのみで形成されることで筐体本体３内側面と整流筒９外側面との環状流路３５が小さい場合は、環状流路３５におけるクロスフロー流の圧力損失が増大し、濾過性能が低下する問題があることが従来技術において分かっており、好ましくない。
【００４４】
また、整流筒９が多段で複数の内径を有する場合、上記整流筒９の内径とは、第１集束固定部１１より下方における最小内径を指す。
【００４５】
大径部３Ａと小径部３Ｂをテーパー状に接続したため、例えば濾過部１１０を蒸気滅菌した後に発生するスチームドレンを筐体本体３に滞留させることなく流下せしめる効果がある。
【００４６】
大径部３Ａや小径部３Ｂは一体で作製する必要はなく、運転または加工方法に合わせ適宜別部材に分割することで、筐体本体３の作製効率や、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１のハンドリング性を高めることができる。
【００４７】
＜シール部組み立て状態＞
第１シール材１５および第２シール材１６を用いたシールについて、図１３を用いて説明する。
【００４８】
まず、筐体本体３に整流筒９を上方より挿入し装着する。整流筒９の下方外周の溝に配した第１シール材１５が筐体本体３の内周側面と整流筒９の外周側面とに当接し、筐体本体３と整流筒９とをシールする。第１シール材１５は、整流筒９と筐体３０（筐体本体３）との間を液密に封止する第１シール部として機能する。
【００４９】
次に、中空糸膜カートリッジ１００の第１集束固定部１１の段部１１Ｅ下に第２シール材１６を装着し、筐体本体３に装着した整流筒９の上方開口部より挿入する。中空糸膜カートリッジ１００を上方から挿入した際、第１集束固定部１１に配した第２シール材１６が整流筒９の内周全周に亘り設けた凸部９Ｅに当接し、筐体本体３の軸方向（図１でいう上下方向）に第２シール材１６が圧縮されることで、整流筒９と第１集束固定部１１とをシールする。第２シール材１６は、第１集束固定部１１と整流筒９との間を液密に封止する第２シール部として機能する。また、第１集束固定部１１の段部１１Ｅと、整流筒９の凸部９Ｅは、第１集束固定部１１を整流筒９に対して着脱可能に固定する第２固定部として機能する。
【００５０】
筐体本体３と整流筒９は、本実施形態のように筐体３０の径方向（図１でいう水平方向）に第１シール材１５を潰してシールしても良く（第１シール材１５が筐体３０の径方向に圧縮される状態）、筐体３０の軸方向（図１でいう上下方向）にシール材を潰してシールしても良い（少なくとも第１シール材１５が筐体３０の軸方向に圧縮される状態）。筐体本体３と整流筒９の間がシールできていれば良く、第１シール材１５の潰す向きおよび潰す構造は上記に限定されるものではない。また部材同士の嵌合などでシールできれば第１シール材１５は必ずしもなくても良い。同様に整流筒９と第１集束固定部１１も、本実施形態のように整流筒９（または筐体３０）の軸方向に第２シール材１６を潰してシールしても良く（少なくとも第２シール材１６が筐体３０の軸方向に圧縮される状態）、整流筒９（または筐体３０）の径方向に第２シール材１６を潰してシールしても良い（第２シール材１６が筐体３０の径方向に圧縮される状態）。整流筒９と第１集束固定部１１の間がシールできていれば良く、第２シール材１６の潰す向きおよび潰す構造は上記に限定されるものではない。また、整流筒９内面に第１集束固定部を接着する、また、部材同士の嵌合などでシールできれば第２シール材１６は必ずしも必要では無い。
【００５１】
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１は、中空糸膜カートリッジ１００を筐体本体３の仮想軸方向に動かして整流筒（筒状ケース）９に着脱する。本例では、筐体本体３と整流筒９との間の第１シール材１５を筐体本体３の径方向に圧縮し、整流筒９と第１集束固定部１１との間の第２シール材１６を少なくとも筐体本体３の軸方向に圧縮する構造を採用している。したがって、中空糸膜カートリッジ１００を筐体本体３の軸方向に抜き出す操作において、第２シール材１６には摺動抵抗がほぼ作用せず、中空糸膜カートリッジ１００のみを容易に取り出すことができる。中空糸膜カートリッジ１００を筐体本体３の仮想軸方向に抜き出す際、筐体本体３と整流筒９との間の第１シール材１５には筐体本体３と整流筒９との間に配した第１シール材１５に摺動抵抗である摩擦力が発生して、筐体本体３に対して整流筒９が動き難いのに対し、整流筒９と第１集束固定部１１との間の第２シール材１６では、摩擦力が相対的に小さいためである。
【００５２】
尚、本発明において、第１シール材１５または第２シール材１６の如きシール材が、「筐体の径方向に圧縮される」とは、筐体３０の仮想軸を中心とした円筒面にシール材が押し付けられ、当該円周面に沿って圧縮され固定されることを意味する。また、「少なくとも筐体の軸方向に圧縮される」とは、シール材が径方向にのみ圧縮される上記の構造以外を指す。具体的には、中空糸膜カートリッジ１００や整流筒９の如き筒状ケースなどを筐体本体３に装填した際に、シール材が少なくとも装填方向に圧縮される構造を意味し、第２シール材１６についての図２２〜図２５のような場合も含む。例えば図２２のように装填方向に垂直な面同士での圧縮でも良い。図２３のように、第２シール材１６を受ける整流筒９の面が斜面であっても良い。図２４のように第２シール材１６を受ける整流筒９の面が水平で、第２シール材１６を押圧する第１集束固定部１１の面が斜面であっても良い。図２５のように、第２シール材１６を押圧する第１集束固定部１１の面および第２シール材１６を受ける整流筒９の面の双方が斜面であっても良く、それぞれの傾斜が一致していても異なっていても良い。筐体３０が複数の軸を有する場合は筐体本体３の仮想軸を筐体３０の仮想軸とみなす。このような条件は、第１シール材１５にも適用される。
【００５３】
本実施形態では、整流筒９に、図１３のように内周面上方に略三角の断面形状を有する凸部９Ｅを全周に渡って設け、凸部９Ｅの断面形状は筐体本体３の長手方向軸に平行な向きＥ１と筐体本体３の長手方向軸に垂直な向きＥ２の２辺を有する、鋭角が約３０°の略直角三角形状とした（図２３に対応）。筐体本体３の中心軸側に向かって下向きに傾斜する三角形の断面形状としているため、蒸気滅菌時に発生するスチームドレンが凸部９Ｅの三角形断面形状を流下し、ドレンによる昇温が遅い箇所の発生を予防することができる。スチームドレンの滞留を予防することでカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の内部を昇温させやすい効果がある。
【００５４】
整流筒９と第１集束固定部１１との間の第２シール材１６を少なくとも筐体３０の仮想軸方向に圧縮する構造であれば、本実施形態の目的を達成することができるため、整流筒９の内周面に設ける凸部９Ｅは、図２６のように水平の矩形形状であっても良い（図２２に対応）。また、凸部９Ｅの断面形状は略直角三角形、矩形形状に限定するものではなく、たとえば台形などの多角形や半円状、扇形など、スチームドレンが溜まらず流下しやすい形状であれば良い。特に、略直角三角形や台形などはシール材を受ける面が平面であるためシール性が良好であり、さらに台形であれば筐体本体３の上下方向の力に対し凸部９Ｅの強度を確保しやすく、なお好ましい。
【００５５】
従来より、中空糸膜モジュールは、膜ろ過性能を維持するため、一定期間運転後の定期的な膜洗浄を実施することが一般的である。あわせて、膜洗浄後に再度滅菌を実施し、コンタミネーションを防ぐことで発酵生産効率の維持を行う。そして、従来のカートリッジ式中空糸膜モジュールは、中空糸膜と筐体または中空糸膜と整流筒（筒状ケース）がポッティング剤によって接着される構造が主流であった。
【００５６】
本実施形態におけるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１は、筐体本体３と整流筒９との間を第１シール材１５でシールし、整流筒９と第１集束固定部１１との間を接着ではなく第２シール材１６を介してシールする構造を採用した。従来形状の整流筒９と第１集束固定部１１の間の接着部において、熱膨張と収縮との繰り返しで材質の異なる整流筒９と第１集束固定部１１が剥離を起こし得るような過酷な条件下での使用の際も、本実施形態は接着を不要とするシール構造であるため剥離が起こる心配がない。特に各部材の常温時の形状および熱膨張時の形状においても第１シール材１５と第２シール材１６がそれぞれシール可能となるように各部材寸法を決定した。熱膨張と収縮を繰り返しても、第１集束固定部１１と整流筒９の間の剥離を予防することができ、原水リークや洗浄性が悪い隙間の発生を防止できる効果がある。また、従来のように整流筒９を第１集束固定部１１で接着固定していないため、中空糸膜カートリッジ１００を交換した際も、整流筒９を再利用できる利点がある。
【００５７】
また、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１を組み立てた際、整流筒９の内周面に設けた凸部９Ｅと、第１集束固定部１１の縮径部１１Ｂは図１３のようにほぼ同じ高さとなるよう設計した。図２７のように縮径部１１Ｂを設けない場合に比べ、凸部９Ｅと第１集束固定部１１との隙間空間Ａを大きくできるため、高温滅菌時に、例えば蒸気滅菌であれば蒸気が、温水滅菌であれば温水が、第２シール材１６まで到達しやすく滅菌効率を高めることができる。同様に、凸部９Ｅと第１集束固定部１１との隙間空間Ａを大きくできるため、運転時の原液や滅菌後のスチームドレンの排出性も高く、原液やスチームドレンによって昇温不十分となることを予防でき、滅菌効率の高い形状とすることができる。
【００５８】
＜筐体のシール方法＞
上部キャップ４と筐体本体３、および、筐体本体３と下部キャップ５のシールは、図１に示す通りシール部材１９を挟みこんだ状態で、接続部の外側からクランプ等で締め付ける方法でも良いし、フランジ部を複数本のボルトで締め付ける方法などでも良い。特にカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の使用期間が短い場合は手軽に着脱できるクランプによる締め付けの方が好ましい。一方で、高圧力下での運転や、運転が長期間であり中空糸膜カートリッジの交換頻度が低い場合などは、複数本のボルトによる締め付けの方が緩みづらく好ましい。なお、筐体に対し中空糸膜カートリッジ１００が着脱可能であればよく、上部キャップ４と下部キャップ５のいずれかが筐体本体３に溶接されているなど図１４のように筐体本体３と一体物であっても良い。また、筐体本体３を有さず、図１５のように上部キャップ４と下部キャップ５のそれぞれが筒状部を有する形状であっても良い。
【００５９】
＜貯液部のシール方法＞
第１集束固定部１１の上端面にガスケット用溝１７を形成し、貯液部をシールするためのガスケット１８をガスケット用溝１７に対し内嵌めで装着した。ガスケット用溝１７は中空糸膜１の存在領域３２よりも外周に設け、ガスケット用溝１７の内径を、上部キャップ４の平面４Ｆ（図３参照）の内径と同等の寸法とした。図３のように上部キャップ４の鍔部４Ｃと筐体本体３の鍔部３Ｃをクランプで締め付ける際に、上部キャップ４の平面４Ｆによりガスケット１８が圧縮され貯液部３４をシールする。ガスケット用溝１７の内径を中空糸膜１の存在領域３２よりも外周に設けたため、中空糸膜束２の開口している第１端部がすべてガスケット用溝１７より内側にあり、中空糸膜１をすべて有効に使用できる利点がある。
【００６０】
＜中空糸膜＞
本実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１は、分離膜として、中空糸膜を備える。中空糸膜は一般的に平膜よりも比表面積が大きく、単位時間当たりに濾過できる液量が多いため有利である。中空糸膜の構造としては全体的に孔径が一様な対称膜や、膜の厚み方向で孔径が変化する非対称膜、強度を保持するための支持層と対象物質の分離を行うための分離機能層を有する複合膜などが存在する。
【００６１】
中空糸膜の平均孔径は分離対象によって適宜選択すれば良いが、細菌類や真菌類などの微生物や、動物細胞の分離などを目的とする場合、１０ｎｍ以上、２２０ｎｍ以下であることが好ましい。平均孔径が１０ｎｍ未満だと透水性が低くなり、２２０ｎｍを超えると微生物等が漏洩する可能性がある。本発明での平均孔径とは最も孔径の小さい緻密層の孔径とする。
【００６２】
分離膜の材質は特に限定されないが、分離膜は、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体、エチレン・四フッ化エチレン共重合体などのフッ素系樹脂、セルロースアセテート、セルロースアセテートプロピオネート、セルロースアセテートブチレートなどのセルロースエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどのポリスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリプロピレンなどの樹脂を含有することができる。特にフッ素系樹脂やポリスルホン系樹脂からなる分離膜は耐熱性、物理的強度、化学的耐久性が高いことから、カートリッジ式中空糸膜モジュールに好適に用いることができる。
【００６３】
また、中空糸膜は、フッ素系樹脂やポリスルホン系樹脂に加えて、親水性樹脂をさらに含有してもよい。親水性樹脂によって、分離膜の親水性を高め、膜の透水性を向上させることができる。親水性樹脂は、分離膜に親水性を付与することができる樹脂であればよく、具体的な化合物に限定されるものではないが、例えば、セルロースエステル、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、ポリメタクリル酸エステル系樹脂、及びポリアクリル酸エステル系樹脂などが好適に用いられる。
【００６４】
中空糸膜カートリッジを作製する際は、キャップに中空糸膜を充填し、樹脂を注入して固定する。この注入固定作業をポッティングと称し、ポッティングに用いる樹脂をポッティング材と称すが、ポッティング前には、ハンドリングや接着の問題から中空糸膜を乾燥させておく。しかし中空糸膜の多くは乾燥により収縮が起こり、透水性が低下するという問題があるため、グリセリン水溶液に浸漬した後で乾燥させたものを用いる。グリセリン水溶液に浸漬した後で乾燥すると、グリセリンが細孔内に残留することで乾燥による収縮を防止することができ、その後エタノールなどの溶媒で浸漬処理を行うことで透水性を回復させることができる。
【００６５】
カートリッジ式中空糸膜モジュールは、蒸気滅菌してから使用することも可能だが、中空糸膜の材質によっては蒸気滅菌により収縮が起こるものがある。そのためモジュール作製後に蒸気滅菌を行うと中空糸膜の収縮により中空糸膜が損傷したり、中空糸膜とポッティング樹脂とが剥離したりする可能性がある。従って予め中空糸膜を蒸気処理し、収縮させてからポッティングを行ってモジュールを製作することが望ましい。収縮させるための前処理温度は、実際に行う蒸気滅菌温度よりも高くしておくことが好ましい。
【００６６】
なお、上述の中空糸膜は膜の外側から圧力をかけろ過を行う外圧式中空糸膜モジュールおよび膜の内側から圧力をかけろ過を行う内圧式中空糸膜モジュールの何れの中空糸膜にも適用できるものである。本実施の形態に適用する場合は外圧式中空糸膜が好ましい。
【００６７】
＜筐体、整流筒の材質＞
カートリッジ式中空糸膜モジュールで使用する筐体の材質は耐熱性、化学的耐久性などを満たせば特に限定されないが、例えばポリスルホン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂などのフッ素系樹脂、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ステンレス、アルミニウムなどを挙げることができる。またカートリッジ式中空糸膜モジュールで使用する整流筒および第２集束固定部ケース１３の材質は特に限定されないが、例えば筐体と同様の材料から選択することができる。
【００６８】
＜集束固定部の材質＞
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の第１集束固定部１１および第２集束固定部を形成するポッティング樹脂の種類は、接着対象部材との接着強度、耐熱性、化学的耐久性などを満たせば特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂やポリウレタン樹脂などを使用することができる。エポキシ樹脂やポリウレタン樹脂は中空糸膜との接着性、耐熱性、化学的耐久性に優れているものが多く、本実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュールの中空糸膜同士を集束固定するポッティング樹脂として好適に使用することができる。
【００６９】
＜シール材＞
カートリッジ式中空糸膜モジュールで使用するＯリングやガスケットなどのシール材の材質は耐熱性、化学的耐久性などを満たせば特に限定されないが、例えばフッ素ゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）などを使用することができる。
【００７０】
特に第１シール材１５および第２シール材１６にはＯリングを用いたため、つぶし率は一般的に８％以上３０％以下とすることが好ましい。
【００７１】
本実施の形態では、図１のように第１集束固定部１１を整流筒（筒状ケース）９と直接接着せず、第１シール材１５を用いてシールした。そのため従来のカートリッジ式中空糸膜モジュールのように、熱処理によって整流筒９と第１集束固定部１１が剥離し、原水のろ過液側へのリークおよび雑菌汚染等の問題が発生することはない。第１集束固定部１１は蒸気滅菌時や発酵培養液の濾過などの連続運転時、洗浄時など、使用温度によって膨張と収縮を繰り返すことが分かっている。同様に整流筒９や筐体本体３も使用温度によって膨張と収縮を繰り返す。筐体本体３と整流筒９の間をシールする第１シール材１５と、整流筒９と第１集束固定部１１との間をシールする第２シール材１６は、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の使用温度範囲全域においてつぶし率８％以上３０％以下となるよう設計されることが好ましい。同理由により筐体本体３と整流筒９と第１集束固定部１１の線膨張係数の差は小さいほど好ましく、例えば、筐体本体３と整流筒９を同原料で作製すると良い。整流筒９と第１集束固定部１１のようにシールする複数の部材が同原料で作製することは困難である場合も、つぶし代８〜３０％の範囲に該当するＯリングつぶし量（単位：ｍｍなど）の絶対値の範囲が大きくなるように、第１シール材１５と第２シール材１６の線径は大きい方が好ましい。ただし、Ｏリングの線径が大きいとシール性能は向上するが、シールする複数の部材に当接する面の面積が大きくなるため摩擦力が大きくなり、組立や分解などの操作性が低下する懸念がある。
【００７２】
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールの濾過運転方法＞
本実施の形態はクロスフロー濾過を採用したが、原液を全て濾過する全量濾過に用いても良い。本実施の形態であれば、原液流出口８を閉止することで、原液を全て濾過する全量濾過を行うこともできる利点がある。また、原液流入口６からエアを供給することでエアスクラビングを行い、中空糸膜を揺動させながら洗浄を行うことも可能であり、中空糸膜カートリッジの再生効率が良い。この場合、流入したエアは原液流出口８から排出される。さらに、濾過液出口７から逆圧洗浄液を供給し、中空糸膜の内側から外側に液を透過させることで、中空糸膜の逆圧洗浄を行うこともできる。
【００７３】
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールの蒸気滅菌方法＞
カートリッジ式中空糸膜モジュールを発酵等の用途に使用する場合、蒸気滅菌が必要となる。蒸気滅菌で発生するスチームドレンの排出のため、通常配管の上方向から下方向に向かって蒸気を供給する。カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の原水側の領域を蒸気滅菌する場合、原液流出口８から蒸気を供給し、原液流入口６からスチームドレンを排出すれば良い。またカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の濾過液側の領域を蒸気滅菌する場合、濾過液出口７から蒸気を供給しても良いし、原液流出口８から蒸気を供給して中空糸膜１を透過させ、モジュールの濾過液側に蒸気を供給しても良い。発生したスチームドレンは原液流入口６から排出される。このとき第２集束固定部に設けられた貫通孔１４はスチームドレンの排出口の役割も果たす。
【００７４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｂの構成について、図２８および図２９を参照しながら説明する。
【００７５】
図２８は、第２実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｂの第１集束固定部１１付近の概略縦断面図である。第１の実施の形態と異なり、整流筒（筒状ケース）９Ｂの内周と第１集束固定部１１の外周とが接着固定される形態である。第１実施形態と異なり、温水殺菌やガス滅菌など、原液側と濾過液側とにリークが発生するような過度の剥離が発生しない範囲での使用環境下に用いることができる。尚、以下で言及しないカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｂの構成については、第１実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１と同様の構造を適用可能である。第１実施形態で説明した部材と同様の機能を有する部材については、同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００７６】
第２実施形態では、整流筒９Ｂと第１集束固定部１１とが接着しているため、中空糸膜カートリッジ１００Ｂ（図２９）に整流筒９Ｂを含む。したがって、着脱する中空糸膜カートリッジ１００Ｂの最外部を有する整流筒９Ｂとハウジングである筐体本体３との間を、シール材３６を少なくとも筐体本体３の軸方向に圧縮する構造とした。シール材３６を筐体本体３の径方向に圧縮する構造では中空糸膜カートリッジ１００Ｂを着脱する際に摺動摩擦抵抗が発生するが、本実施形態では筐体本体３の仮想軸方向に圧縮する構造としたため、中空糸膜カートリッジ１００Ｂを着脱する際に発生する摺動摩擦抵抗が小さく、容易に操作できる利点がある。この場合、シール材３６を受ける面に傾斜を設ければ、スチームドレンの排出性を高めることができる。
【００７７】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｃの構成について、図３０および図３１を参照しながら説明する。
【００７８】
図３０は、第３実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｃの第１集束固定部１１Ｃ付近の概略縦断面図である。第１の実施の形態と異なり、整流筒９を備えない形態である。以下で言及しないカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｃの構成については、第１実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１と同様の構造を適用可能である。第１実施形態で説明した部材と同様の機能を有する部材については、同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００７９】
第３実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｃは、整流筒９を備えない以外は、第１実施形態のモジュール１０１とほぼ同一の構成である。したがって、着脱する中空糸膜カートリッジ１００Ｃの最外部を有する第１集束固定部１１Ｃとハウジングである筐体本体３との間を、シール材３７を少なくとも筐体本体３の仮想軸方向に圧縮する構造とした。シール材３７を筐体本体３の径方向に圧縮する構造では中空糸膜カートリッジ１００Ｃを着脱する際に摺動摩擦抵抗が発生するが、本実施形態では筐体本体３の軸方向に圧縮する構造としたため、中空糸膜カートリッジ１００Ｃを着脱する際に発生する摺動摩擦抵抗が小さく、容易に操作できる利点がある。第１実施形態および第２実施形態同様に、シール材３７を受ける面に傾斜を設ければ、スチームドレンの排出性を高めることができる。
【００８０】
（第４実施形態）
第４実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュールの構成について、図面を参照しながら説明する。図３４は、本発明の第１実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュールの概略縦断面図であり、図３５は、中空糸膜カートリッジの概略断面図である。
【００８１】
本発明の第１実施形態にかかるカートリッジ式中空糸膜モジュールは、筐体と、前記筐体内に収容された複数の中空糸膜と、前記中空糸膜の第１端部を開口した状態で束ねる第１ポッティング部と、前記中空糸膜の第２端部を封止した状態で束ねる第２ポッティング部と、前記第１ポッティング部を前記筐体に対して着脱可能に固定する固定部と、前記第１ポッティング部と前記筐体との間を液密に封止するシール部と、前記第２ポッティング部を前記筐体に対して、着脱可能に、かつ前記第２ポッティング部と前記筐体との間を通液可能に保持する保持部と、を備えている。
【００８２】
この様な構造の中空糸膜モジュールを採用することにより、前記第２ポッティング部において、蒸気滅菌時のスチームドレンの排出性がさらに良好となること、濁質の堆積が抑制されること、また中空糸膜束自体が揺れることにより中空糸膜束にも濁質が堆積しにくい、などのメリットがある。ここで、前記第２ポッティング部がクロスフロー濾過時に浮上する際、中空糸膜束２は、緩みを持つ状態から、さらに緩みが大きくなるが、本願の様に、整流筒内面と中空糸膜束の存在領域の最外径との間隙を有することにより、中空糸膜１が整流孔１０を塞ぐなどの問題を防止することができる。
【００８３】
以下、実施形態として示す中空糸膜モジュールは、全て外圧式である。ここで外圧式とは中空糸膜の外側から原水を供給し、中空糸膜の内側（中空部側）に向かってろ過を行うろ過方式のことである。
【００８４】
＜筐体＞
筐体は中空糸膜カートリッジ１００を内部に設置させるものであり、中空状の筐体本体３と、筐体本体３の両端部に設けられた上部キャップ４と下部キャップ５とで構成されている。
【００８５】
図３４に示したように、筐体本体３の上部には、ろ過液出口２１１を有する上部キャップ４が、筐体本体３の下部には、原液流入口２１０を有する下部キャップ５がそれぞれ、液密かつ気密に接続されている。上部キャップ４と下部キャップ５を筐体本体３に接続する方法としては、例えば図３４に示したようにガスケット２１６を使用し、クランプ等で固定する方法が挙げられる。
【００８６】
筐体本体３は、その上端および下端に筐体本体３の全周に亘って鍔部３Ｃ、３Ｄを有している。また、筐体本体３の側部には、ろ過液出口２１１寄りに原水出口２１２が設けられている。
【００８７】
上部キャップ４は筐体本体３の内径と略等しい内径を有し、その上端側が縮径してろ過液出口２１１を形成している。上部キャップ４の下端側には、筐体本体３と接続したときに溝を形成するための段部２０４Ａが上部キャップ４の全周に亘って形成されている。筐体本体３と上部キャップ４を接続した際に上部キャップ４の下端部が筐体本体３の鍔部３Ｃと当接して溝（固定部）が形成され、この溝（固定部）により後述する第１ポッティング部２５の鍔部２０７Ａを固定する。
【００８８】
下部キャップ５は筐体本体３の内径と略等しい内径を有し、その下端側が縮径して原液流入口２１０を形成している。下部キャップ５の上端側には、筐体本体３と接続したときに窪みを形成するための段部２０５Ａが複数箇所（第１実施形態では４箇所）に間隔を有して形成されている。筐体本体３と下部キャップ５とが接続されると、下部キャップ５の上端部が筐体本体３の鍔部３Ｄと当接することで、下部キャップ５の上面と筐体本体３の鍔部３Ｄの下面との間に第１保持溝２１７が形成される。この第１保持溝２１７には、ピン（保持部）２１８が挿入される。
【００８９】
＜中空糸膜モジュール＞
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄは、筐体内に図３５に示す中空糸膜カートリッジ１００を装着する。中空糸膜カートリッジ１００は複数の中空糸膜１を備え、筐体のろ過液出口２１１側に配置される第１ポッティング部２５と筐体の原液流入口２１０側に配置される第２ポッティング部２６とを有している。第１ポッティング部２５、第２ポッティング部２６は、それぞれ第１〜第３実施形態の集束固定部１１、第２集束固定部１２に相当する。
【００９０】
＜第１ポッティング部＞
筐体のろ過液出口２１１側に配置される中空糸膜カートリッジ１００の上端側である第１ポッティング部２５は、多数本の中空糸膜１からなる中空糸膜束２の第１端部を接着剤等で接着して第１接着部２０６を形成し、第１接着部２０６を第１端部ケース２０７に収納して構成されている。ここで、中空糸膜束２は、中空糸膜１の上方の端面が開口された状態で束ねられている。第１端部ケース２０７は円筒状であり、その上端部には第１端部ケース２０７の全周に亘って鍔部２０７Ａを有している。第１端部ケース２０７の鍔部２０７Ａを筐体本体３と上部キャップ４とを接続させた際に形成された溝（固定部）に挿入することで、第１ポッティング部２５は、筐体本体３の上端部に液密かつ気密に固定される。
【００９１】
中空糸膜１の外側から供給された原水は中空糸膜１を透過し、透過したろ過液は中空糸膜１の中空部を通過して該中空糸膜１の開口部から排出される。
【００９２】
＜整流筒＞
第１端部ケース２０７には、その下側（すなわち、原液流入口２１０側）に軸方向に延びる複数のスリットを有する筒状の整流筒２１４が設けられている。整流筒２１４は、スリット部分から通液することができる。整流筒２１４は、処理原水の偏流を防ぐ目的で、筐体の原水出口２１２周辺に設けられる。カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄを蒸気滅菌する場合、整流筒についてもスチームドレンの滞留を防止するため、筐体本体３との間にスチームドレン排出のための間隙を設けることが好ましい。
【００９３】
＜第２ポッティング部＞
筐体の原液流入口２１０側には、中空糸膜カートリッジ１００の下端側である第２ポッティング部２６が配置されている。中空糸膜１の第２端部が位置する第２ポッティング部２６は、多数本の中空糸膜１からなる中空糸膜束２を接着剤等で接着して第２接着部２０８を形成し、第２接着部２０８を第２端部ケース２０９に収納して構成されている。ここで、中空糸膜１の中空部は接着剤で封止されて開口しない状態となっている。第２端部ケース２０９は下方に底部を有する円筒状であり、その外径は筐体の内径よりも小さく構成されている。また、第２端部ケース２０９の底部には貫通孔２１３を有しており、原水の流路の役割を担っている。第２端部ケース２０９は、第１〜第３実施形態の第２集束部固定ケース１３に相当する。
【００９４】
本実施形態のカートリッジ式中空糸膜モジュールは、保持部により第２ポッティング部２６を保持し、クロスフローろ過時やエアスクラビング時に中空糸膜の浮上を抑制することができる。
【００９５】
第２端部ケース２０９には、その外周面に、筐体に形成された第１保持溝２１７に対向する位置に凹状の第２保持溝２１９が形成されている（図３７参照）。筐体には第１保持溝２１７が設けられているので、第２保持溝２１９を第１保持溝２１７と対向させた際に形成される空間に保持部としてピン２１８を挿入することができる（図３８参照）。このように構成することにより、ピン２１８が第２端部ケース２０９の位置を一定の範囲内に保持するため、クロスフローろ過時やエアスクラビング時に中空糸膜の浮上を抑制することができる。
【００９６】
本実施形態では第２端部ケース２０９を使用しているが、必ずしも第２端部ケース２０９を使用する必要はなく、第２接着部２０８のみで第２ポッティング部２６を形成させることもできる。この場合、第２接着部２０８の外周面に第２保持溝２１９を形成させる。
【００９７】
＜ピンの構成＞
ピン２１８は、図３８に示したように、中空糸膜カートリッジ１００側に配置されるピン内側上面２１８Ａとピン内側下面２１８Ｂと、筐体側に配置されるピン外側上面２１８Ｃとピン外側下面２１８Ｄとを有している。
【００９８】
ピン内側上面２１８Ａは、先端部に向けて下降する傾斜面を有している。ピン内側下面２１８Ｂとピン外側上面２１８Ｃは、第２保持溝２１９の底面（底部）２１９Ｂと第１保持溝２１７の天井面（天井部）２１７Ａとそれぞれ平行な平坦面を有している。そして、ピン外側下面２１８Ｄは、先端が縮径した鋭角状に形成されている。
【００９９】
＜中空糸膜カートリッジ１００の筐体への取り付け＞
中空糸膜カートリッジ１００を筐体に装着する際は、まず中空糸膜カートリッジ１００を筐体本体３に挿入し、筐体本体３の鍔部３Ｃの上面に第１ポッティング部２５の第１端部ケース２０７の鍔部２０７Ａを保持させる。次に、上部キャップ４の下端部を、ガスケット２１６を介して筐体本体３の鍔部３Ｃに当接させ、クランプ等で固定する。
【０１００】
続いて中空糸膜カートリッジ１００の第２ポッティング部２６の第２端部ケース２０９の第２保持溝２１９にピン２１８を挿入し、下部キャップ５を接続する。接続方法は上部キャップ４と同様であり、下部キャップ５の上端部を、ガスケット２１６を介して筐体本体３の鍔部３Ｄに当接させ、クランプ等で固定する。
【０１０１】
このようにして組み立てられたカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄは、ピン２１８が筐体の第１保持溝２１７と第２ポッティング部２６の第２端部ケース２０９の第２保持溝２１９とで形成した空間に挿入されるため、第２ポッティング部２６を保持することができる（図３８参照）。保持箇所が１箇所のみであると、クロスフローろ過時やエアスクラビング時の水圧によってピン２１８が脱落しやすくなるため、ピン２１８は２箇所以上設置されることが好ましい（本実施形態では４箇所）。
【０１０２】
＜シール部＞
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄでは、第１ポッティング部２５と筐体との間にシール部が設けられていることで、原水側とろ過液側が液密かつ気密に分離される。図３４に示したように、第１ポッティング部２５と筐体本体３の間にＯリング２１５またはガスケットなどのシール材を設置することで原水側とろ過液側を液密かつ気密に分離することができる。Ｏリングやガスケットの材料は特に限定されないが、耐熱性に優れ、酸、アルカリ、塩素などへの耐性も強い材料であればより好ましく用いられる。材料の例としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）などを挙げることができる。
【０１０３】
またカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄを蒸気滅菌する場合、原水出口２１２から蒸気が供給され、発生したスチームドレンは原液流入口２１０から排出されるが、モジュール上部に上向きの空間があると、空気が滞留して十分に昇温せず、滅菌不良となることがある。そのため図に示したように第１ポッティング部２５と筐体本体３の間にＯリング２１５を設置し、蒸気の供給部よりも上向きの空間を少なくすることが好ましい。
【０１０４】
＜第２ポッティング部と筐体との間隙＞
図３６は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄを蒸気滅菌する場合、図３４、図３６に示したように、第２ポッティング部２６と筐体（すなわち、筐体本体３と下部キャップ５）の間に間隙２２４を設けることが好ましい。間隙２２４を設けることで第２ポッティング部２６と筐体の間を通液可能とすることができ、蒸気滅菌時に発生したスチームドレンはこの間隙２２４から排出することができる。間隙２２４は、第２端部ケース２０９の外径と筐体の内径を調整することにより所望の間隔とすることができる。スチームドレンの排出性を向上させるため、間隙２２４は、モジュールの径方向に１ｍｍ以上設けることが好ましく、２ｍｍ以上がさらに好ましい。また、間隙２２４が大きいと、クロスフローろ過時に間隙２２４を通る流量が多くなり、中空糸膜モジュールの径方向の中央部付近を通る流量が少なくなるため、クロスフローによる膜の洗浄効率が低下する。従って間隙は１０ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下がより好ましい。第２ポッティング部２６と下部キャップ５の間にＯリングなどのシール材を設置して、第２ポッティング部２６と下部キャップ５の間を液密にシールすると、シール材の上部にスチームドレンが滞留して十分に昇温せず、滅菌不良となることがあるため、好ましくない。
【０１０５】
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールのクロスフローろ過方法＞
原水は下部キャップ５の原液流入口２１０よりカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄ内に流入し、中空糸膜１を透過しなかった原水は、原水出口２１２よりカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄの外部に排出される。中空糸膜１の外側から内側に透過したろ過液は、中空糸膜１の中空部を通過して、上部キャップ４のろ過液出口２１１よりカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄの外部に排出される。
【０１０６】
このように膜面に対して原水を平行に流しながらろ過する方式をクロスフローろ過と呼び、原水中の懸濁物質等が膜面に堆積するのを抑制する効果がある。また、原水出口２１２を閉止すれば、原水を全てろ過する全量ろ過を行うこともできる。また原液流入口２１０からエアを供給することでエアスクラビングを行い、中空糸膜の洗浄を行うこともできる。流入したエアは原水出口２１２から排出される。
【０１０７】
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールの蒸気滅菌方法＞
また、カートリッジ式中空糸膜モジュールを発酵等の用途に使用する場合、蒸気滅菌が必要となる。蒸気滅菌では発生するスチームドレンの排出のため、通常配管の上方向から下方向に向かって蒸気を供給する。カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄの原水側の領域を蒸気滅菌する場合、原水出口２１２から蒸気を供給し、原液流入口２１０からスチームドレンを排出すれば良い。またカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄのろ過液側の領域を蒸気滅菌する場合、ろ過液出口２１１から蒸気を供給し、原液流入口２１０からスチームドレンを排出すれば良い。このとき第２端部に設けられた貫通孔２１３はスチームドレンの排出口の役割も果たす。
【０１０８】
＜第２ポッティング部浮上時の面接触による保持＞
図３９はカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄの第２端部ケース２０９付近の拡大図である。図３９ではクロスフローろ過時やエアスクラビング時に第２ポッティング部２６が浮上した場合（上方移動した場合）の構造を示している。
【０１０９】
クロスフローろ過時やエアスクラビング時に筐体の原液流入口２１０から原水またはエアが流入すると、第２ポッティング部２６は、図３９に示したように、上方向（Ｘ方向）に浮上する。このとき、ピン２１８のピン内側下面２１８Ｂと第２端部ケース２０９の第２保持溝２１９の底面（底部）２１９Ｂが互いに面接触し、ピン２１８のピン外側上面２１８Ｃと筐体の第１保持溝２１７の天井面（天井部）２１７Ａが面接触する。これにより、第２ポッティング部２６の上方向への移動が規制される。
【０１１０】
線接触と比較すると面接触の方が部材にかかる負担が軽減されるため、クロスフローろ過時やエアスクラビング時に第２ポッティング部２６が浮上した際は、ピン内側下面２１８Ｂと第２保持溝２１９の底面２１９Ｂ、およびピン外側上面２１８Ｃと第１保持溝２１７の天井面２１７Ａをそれぞれ面接触させて第２ポッティング部２６を保持することが好ましい。ここで面接触とは、２つの物体の接触部分が平面になる接触のことである。一方線接触とは、２つの物体の接触部分が１本の線になる接触のことである。
【０１１１】
このように構成することにより、第１保持溝２１７の天井面２１７Ａに接触したピン２１８が、一方では第２保持溝２１９の底面２１９Ｂに係止するので、第２ポッティング部２６の移動が止まり、膜の浮上を抑えることができる。
【０１１２】
＜線接触による蒸気滅菌性向上＞
図４０はカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄの第２端部ケース２０９付近の拡大図である。図４０では、蒸気滅菌時に第２ポッティング部２６が下降した場合（下方移動した場合）にピン２１８で第２ポッティング部２６を支持する場合の構造を示している。第２ポッティング部２６が下降すると中空糸膜が引っ張られて破断する場合があるため、第２ポッティング部２６を支持して、下降を防止することが望ましい。
【０１１３】
蒸気滅菌時、筐体の原水出口２１２から蒸気が供給されると、第２ポッティング部２６は、図４０に示したように下方向（Ｙ方向）に移動する。このとき、ピン２１８のピン内側上面２１８Ａが、第２端部ケース２０９の第２保持溝２１９の天井面（天井部）２１９Ａと線接触し、ピン２１８のピン外側下面２１８Ｄが、筐体の第１保持溝２１７の底面（底部）２１７Ｂと線接触する。これにより、第２ポッティング部２６の下方向への移動が規制される。
【０１１４】
カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄを蒸気滅菌する際は滅菌性を向上させるため接触面を少なくし、蒸気が進入するための間隙を設けることが好ましい。図４０のようにピン内側上面２１８Ａと第２保持溝２１９の天井面２１９Ａ、またピン外側下面２１８Ｄと第１保持溝２１７の底面２１７Ｂが線接触可能な構造とすれば、接触面を少なくし、蒸気が進入するための間隙を確保することができる。
【０１１５】
このように構成することにより、第２保持溝２１９の天井面２１９Ａに接触したピン２１８が、一方では第１保持溝２１７の底面２１７Ｂに係止するので、第２ポッティング部２６の移動が止まり、膜の下降を抑えることができる。
【０１１６】
図４０の構造の他、第２保持溝２１９の天井面２１９Ａに傾斜を設けることでピン内側上面２１８Ａと線接触させることもできる。また第１保持溝２１７の底面２１７Ｂに傾斜を設けることでピン外側下面２１８Ｄと線接触させることもできる。
【０１１７】
また図４１、図４２は、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の第２端部ケース２０９付近の別の形態の拡大図である。図４１ではクロスフローろ過時やエアスクラビング時に第２ポッティング部２６が浮上した場合（上方移動した場合）の構造を示している。クロスフローろ過時やエアスクラビング時に筐体の原液流入口２１０から原水またはエアが流入すると、第２ポッティング部２６は、図４１に示したように、上方向（Ｘ方向）に浮上する。このとき、ピン２１８のピン内側下面２１８Ｂと第２端部ケース２０９の一部の面が互いに面接触し、ピン２１８のピン外側上面２１８Ｃと筐体の第１保持溝２１７の天井面（天井部）２１７Ａが面接触する。これにより、第２ポッティング部２６の上方向への移動が規制される。
【０１１８】
図４２はカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１の第２端部ケース２０９付近の別の形態の拡大図である。図４２では、蒸気滅菌時に第２ポッティング部２６が下降した場合（下方移動した場合）、第１ポッティング部２５で中空糸膜および第２ポッティング部を支える状態となる。中空糸膜が、中空糸膜自体と第２ポッティング部を支える強度を有している場合は、この様な形態を採用することもできる。
【０１１９】
＜保持溝の長さ、間隙＞
本発明において、第１保持溝２１７および第２保持溝２１９のモジュール径方向の長さは、１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。長さが１ｍｍ未満であると第２ポッティング部の保持が困難になる。また長さが２０ｍｍより大きいと、モジュールの蒸気滅菌時にスチームドレンが滞留しやすくなるため好ましくない。
【０１２０】
本発明のカートリッジ式中空糸膜モジュールを蒸気滅菌する場合、保持部部分の構造は、蒸気が侵入しやすく、スチームドレンが滞留しにくい構造とすることが好ましい。例えばカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１Ｄを蒸気滅菌する場合、ピン２１８と第２端部ケース２０９の間、ピン２１８と下部キャップ２０５の間、またピン２１８とガスケット２１６の間に間隙を設けることが好ましい。モジュールの径方向および軸方向に間隙を設けることで蒸気が進入しやすくなり、滅菌性を向上させることができる。
【０１２１】
＜中空糸膜湾曲＞
またモジュール内が液体で満たされていない場合、中空糸膜の強度が低いと第２接着部２０８や第２端部ケース２０９の荷重により中空糸膜１が破断する場合がある。従ってろ過運転に使用するとき以外は、保持部で第２ポッティング部２６を支持することが好ましい。
【０１２２】
第２ポッティング部２６を支持するためには、ピン２１８のピン内側上面２１８Ａが第２保持溝２１９の天井面２１９Ａに接触し、さらにピン２１８のピン外側下面２１８Ｄが第１保持溝２１７の底面２１７Ｂに接触している必要がある。予め中空糸膜を長めにして中空糸膜カートリッジ１００を製作し、下部キャップ５を接続する際に中空糸膜を押し込み、中空糸膜が湾曲した状態で固定すれば、中空糸膜１の弾性により第２ポッティング部２６がモジュール下方向に押され、ピン内側上面２１８Ａが第２保持溝２１９の天井面２１９Ａに接触し、さらにピン外側下面２１８Ｄが第１保持溝２１７の底面２１７Ｂに接触するため、第２ポッティング部２６を支持することができる。ここで中空糸膜１を押し込む長さは、中空糸膜の元の長さの０．３％以上、５％以下とすることが好ましい。０．３％未満であると押し込み長さが不足し、第２ポッティング部２６を支持することができない可能性がある。また５％を超えると膜が折れ曲がって損傷する可能性がある。
【０１２３】
（その他実施の形態）
第１実施形態では、整流筒９を筐体本体３に装着したまま中空糸膜カートリッジ１００のみを交換する頻度が高いことを前提に、筐体本体３と整流筒９の間は、第１シール材１５を筐体本体３の径方向（図１でいう水平方向）に圧縮して中空糸膜カートリッジ１００の着脱時に摺動摩擦が発生するシール構造とし、整流筒９と第１集束固定部１１の間は、第２シール材１６を少なくとも筐体本体３の仮想軸方向（図１でいう上下方向）に圧縮し、中空糸膜カートリッジ１００の着脱時に発生する摺動摩擦抵抗が小さく容易に着脱可能なシール構造とした。
【０１２４】
第１実施形態において、中空糸膜カートリッジ１００を交換する際、中空糸膜カートリッジ１００と同時に整流筒９を取り出すことが好ましい中空糸膜モジュールであれば、図３２のように筐体本体３と整流筒９の間は、第１シール材１５を少なくとも筐体本体３の仮想軸方向に圧縮する容易に着脱可能なシール構造とし、整流筒９と第１集束固定部１１の間は、第２シール材１６を筐体本体３の径方向に圧縮して中空糸膜カートリッジ１００の着脱時に摺動摩擦が発生するシール構造すると良い。
【０１２５】
また、第１実施形態において、中空糸膜カートリッジ１００と整流筒９の双方を同じ頻度で着脱する場合は、第１シール材１５と第２シール材１６の双方を筐体本体３の軸方向に圧縮してシールする構造とすると、中空糸膜カートリッジ１００と整流筒９がそれぞれ容易に着脱できる利点がある。この場合も、図３３のように第１シール材１５を受ける面の水平方向との傾斜αと、第２シール材１６を受ける面の水平方向との傾斜βとを変えることで、中空糸膜カートリッジ１００のみを取り出しやすい構造、または中空糸膜カートリッジ１００と同時に整流筒９を取り出しやすい構造を作ることができる。例えば第１シール材１５と第２シール材１６が同じ線径の断面を持つ同じ材質で同じ硬度のシール材であり、同じ潰し率でシールを行う場合には、図３３のようにシール材を受ける面の角度がα＜βの関係にあれば、中空糸膜カートリッジ１００の着脱時に第１シール材１５に発生する摺動摩擦力Ａと第２シール材１６に発生する摺動摩擦力Ｂとの関係がＡ＜Ｂとなり、中空糸膜カートリッジ１００のみよりも優先的に、中空糸膜カートリッジ１００と整流筒９を同時に取り出しやすい形状とすることができる。
【０１２６】
上記のように、着脱する部材や頻度に合わせ、シール材の圧縮方向やシール材を受ける面の傾斜角度を選定することで、着脱の操作性を高めることができる。シール材を受ける面に傾斜をつけることで、濾過液や、滅菌時および洗浄時のドレンも抜けやすく、カートリッジ式中空糸モジュールの内部をより衛生的に維持することができる。
【０１２７】
上述した実施形態によれば、Ｏリング溝３１の位置を整流筒９の外周における上方としたが、中央よりも下方に配置しても良く、高さに制限はない。筐体本体３と整流筒９とを第１シール材１５でシールしているため、第１シール材１５よりも上方の整流孔１０は機能せず、Ｏリング溝３１は上方にある方が、整流筒９を効率よく使用できるため好ましい。
【０１２８】
上述した実施形態によれば、整流筒９の外周にＯリング溝３１を設け、第１シール材１５を整流筒９に内嵌めで装着し、カートリッジ式中空糸膜モジュール１０１を組み立てたが、筐体本体３の内周側に第１シール材１５を外嵌めで装着しても良い。整流筒９に内嵌めで第１シール材１５を装着しているため、筐体本体３に外嵌め用Ｏリング溝３１を設けた場合と比較し、整流筒９を筐体本体３から引き抜くことで、Ｏリング溝３１を筐体３０の外に露出させて清掃や洗浄を容易に実施できるという利点がある。
【０１２９】
上述した実施形態によれば、第１集束固定部１１に第２シール材１６を装着しカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１を組み立てたが、第２シール材１６を整流筒９に先に装着し、しかる後にカートリッジ式中空糸膜モジュール１０１を挿入することで第２シール材１６によるシールを形成しても良い。中空糸膜カートリッジ１００の交換作業時に、第１集束固定部１１に内嵌めで第２シール材１６を装着しているため、中空糸膜カートリッジ１００を筐体３０から引き抜けば第２シール材１６を筐体３０の内部に落とすことなく確実に取り出すことができ、筐体３０の外に第２シール材１６を露出させて清掃や洗浄を容易に実施できる利点がある。
【０１３０】
上述した実施形態によれば、筐体３０を筐体本体３と上部キャップ４と下部キャップ５の３部材で構成したが、例えば筐体本体３を複数の部材で構成するなど適宜分割した構成としても良い。上述した実施形態の筐体本体３における小径部を図１６のように分割すると、筐体本体３の側面に設ける原液流出口８の形成加工性を向上させることができ、また大型材料が不要、かつ、汎用パイプ材料を使用して加工できるなど安価に製作できる利点があり好ましい。
【０１３１】
上述した実施形態によれば、第１集束固定部１１上端面のガスケット用溝１７に対し、溝の内周に沿ってガスケット１８を装着したが、溝の外周に沿う装着構造を採用しても良い。例えばＯリングの場合、上述した実施形態のように貯液部３４に内圧がかかる際は、溝の外周に沿う装着構造を採用する。上から上部キャップ４を押し当てガスケット１８を圧縮することで貯液部３４を液密にしているが、貯液部３４の蒸気滅菌後、貯液部３４の下方に位置するガスケット用溝１７に蒸気が冷えたスチームドレンが滞留する懸念がある。ガスケット１８をガスケット用溝１７の内周に沿って装着した場合、スチームドレンが滞留する溝幅を小さくできる。ガスケット用溝１７の幅はガスケット１８の幅の約１．１倍とした。貯液部３４の内圧によりガスケット１８がガスケット用溝１７の外周側に押された場合も溝幅に余裕がないため、スチームドレンの滞留量を小さく維持することができる。
【０１３２】
上述した実施形態によれば、筐体本体３と整流筒９との間、ならびに、整流筒９と第１集束固定部１１との間はＯリングで、第１集束固定部１１と上部キャップ４との間を平ガスケットでシールしたが、シール可能な構造であれば良く、リング状にしたＶパッキンや甲山ガスケット、甲丸ガスケットなどを用いても良い。また、弾性を有する成形品をもちいるなどして、部材の嵌合で代用しても良い。さらには筐体本体３と整流筒９と第１集束固定部１１を図１７のように接着しても良く、カートリッジ式に限定するものではない。また、第１集束固定部１１と整流筒９との間をＯリングやガスケットなど第２シール材でシールし、整流筒９と筐体本体３との間を接着固定や一体物で形成するなど、シール材を用いず液密に固定する構造としても良い。この場合、中空糸膜束２と第１集束固定部１１のみを容易に取り出せるため、高頻度で中空糸膜を交換する場合に好ましい。また、上述した実施の形態のように整流筒９と筐体本体３との間を第１シール材で、整流筒９と第１集束固定部１１との間を第２シール材で液密にする構造は、中空糸膜束２と第１集束固定部１１の交換作業が容易であるほか、整流筒９と筐体本体３との間の清掃が容易であるなど衛生的に使用できる利点がある。
【０１３３】
第１実施形態によれば、整流筒９の整流孔１０が存在する範囲の内径Ｄ１よりも内径の小さい小径部を筐体本体３に設けたが、小径部が整流孔１０の存在する範囲よりも下にあれば中空糸膜１による整流孔１０の閉塞を回避できる。本実施形態のように小径部を筐体本体３に設け、整流筒９を短く、大径部３Ａだけに収容される長さで構成しても良いし、図１８のように整流筒９の整流孔１０の存在する範囲よりも下に小径部９Ｇを設けても良い。この場合、図１９の様に、筐体本体３の径を小さくして小径部３Ｂを設け、筐体本体３の流路面積を低減しても良い。特にクロスフローろ過では、流路面積が大きいとクロスフロー流量が多くなるなどの課題があるため、図１９よりもさらに整流筒９より下の位置で、筐体本体３の径を、整流筒９の小径部９Ｇと同じ、またはさらに径を小さくして小径部３Ｂを設けても良い。
【０１３４】
ここで小径部９Ｇには、中空糸膜１の目視観察を容易にするため、中空糸膜１の損傷リスクに留意の上で、孔やスリット（図示せず）を設けても良い。
【０１３５】
上述した実施形態によれば、中空糸膜束２は下方を第２集束固定部にて封止したが、中空部の開口状態を排除できれば良く、例えば中空糸膜の全開口にシリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの流動性が良く硬化する樹脂を注入閉塞すれば、第２集束固定部として、中空糸膜１同士を固定する必要は無い。同じ理由により、図１７、図１８、図１９のように中空糸膜束２をＵ字状に折り返し、全開口を第１集束固定部に形成する構成でも良い。したがって、中空糸膜束の少なくとも一方の端部、すなわち少なくとも第１端部が開口した状態で中空糸膜束が集束固定されるとは、次の二つの状態（ｉ）、（ｉｉ）を含む。（ｉ）第１実施形態等のように中空糸膜束２がストレートである場合であって、一方は中空糸膜束２の端部が開口した状態で集束固定され、もう一方は中空糸膜束の他端が閉じた状態で集束固定された状態。（ｉｉ）図１７〜図１９のように中空糸膜束２をＵ字に折り返して使用する場合であって、一方は中空糸膜束２の両端が開口した状態で集束固定され、もう一方は中空糸膜のＵ字折り返し部に該当する状態。
【０１３６】
第１実施形態によれば、小径部３Ｂの内径Ｄｉを第２集束固定部ケース１３の外径と近しい構造としたが、小径部３Ｂが軸方向に分割およびシール可能な構造などであれば、第２集束固定部ケース１３の外径より小さくすることも可能である。
【０１３７】
図２１のように、中空糸膜存在領域の最外径と整流筒内面の間隔Ｌ１、筐体に設置した側面のノズルが設置されている位置における筐体内面と整流筒外面との間隔Ｌ２、筐体に設置した側面のノズルの内径Ｌ３について、各々の長さは自由に設定できるが、モジュール内部の流れ性、圧力損失などを考慮し、以下の関係を満たすことが好ましい。
【０１３８】
・Ｌ１≧３ｍｍ。さらに好ましくは、Ｌ１≧１０ｍｍ  
・Ｌ２≧３ｍｍ。さらに好ましくは、Ｌ２≧７ｍｍ。さらには、Ｌ２≧１０ｍｍ
・Ｌ３≧８ｍｍ。さらに好ましくは、Ｌ３≧１０ｍｍ。さらには、Ｌ３≧２０ｍｍ
・１０≧Ｌ２／Ｌ１≧０．５。さらに好ましくは、４≧Ｌ２／Ｌ１≧１
・１００≧Ｌ３／Ｌ２≧２。さらに好ましくは、２０≧Ｌ３／Ｌ２≧４
【０１３９】
ここで、中空糸膜存在領域の最外径と整流筒内面の間の長さＬ１については、クロスフローなどの流れにより、中空糸膜が整流筒の孔などに接触し、膜が損傷、さらには切断することを回避するため、また一方で、Ｌ１が長すぎると、筐体径が大きくなる、または中空糸膜束径が小さくなるため中空糸膜本数が少なくなるなどの課題があり、Ｌ１が適切な長さを有する必要がある。
【０１４０】
筐体に設置した側面のノズルが設置されている位置における筐体内面と整流筒外面との間隔Ｌ２については、クロスフローなどの流れによる圧力損失が大きくなると、送液動力が大きくなることに加え、整流筒外周部の通液で、側面のノズルから近い方が流れ易く、側面のノズルから遠い方は流れにくくなり偏流が発生する要因となる。そのため、Ｌ２が適切な長さを有する必要がある。
【０１４１】
筐体に設置した側面のノズルの内径Ｌ３については、クロスフローなどの流れが偏流等なく、モジュール外に排出すること、送液動力が過大にならない様に、送液圧力損失を小さくするため、Ｌ３が適切な長さを有する必要がある。また、接続する配管等との関係から、規格サイズであることが好ましい。
【０１４２】
Ｌ２／Ｌ１については、実際にモジュールを製作する場合、できるだけ規格品を使用することがコスト面からも好ましく、そのため、筐体外径も所定の長さを選択することになり、限られたスペースの中で整流筒の位置を決める必要がある。Ｌ１とＬ２については各々前述の長さの範囲で決定することができるが、中空糸膜を損傷せずに、また送液圧力損失を小さくするため、また特にＬ２／Ｌ１の値が小さい場合には、側面のノズルからのクロスフロー流れの排出などで、側面のノズル近傍の流れが大きくなり、モジュール内の偏流が発生する懸念もあり、Ｌ２／Ｌ１の値については、適切な値である必要がある。
【０１４３】
Ｌ３／Ｌ２については、側面のノズル径を大きくすると、整流筒外周部の流路面積を大きくすることもできるが、側面のノズルからのクロスフロー流れの排出などで、側面のノズル近傍の流れが大きくなり、モジュール内の偏流が発生する懸念もあり、Ｌ３／Ｌ２の値についても、適切な値である必要がある。
【０１４４】
上述した実施形態では、筐体本体３の原液流出口８からはろ過前の原水が流出する例を挙げたが、本発明は筐体本体３側面に設けたノズルから原水などが流出する際に効果を発揮するものであり、流出対象はろ過前の状態であってもろ過後の状態であっても良く、さらには液体、気体、または気液混合物など特に限定するものではない。したがって、クロスフローに限定することはなく全量ろ過運転に用いても良いし、中空糸膜の外側から圧力をかけろ過を行う外圧式中空糸膜モジュールに限定せず、中空糸膜の内側から圧力をかけろ過を行う内圧式中空糸膜モジュールに用いても良い。
【０１４５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【０１４６】
本出願は、２０１３年１２月２７日出願の日本特許出願、特願２０１３−２７１３２８、２０１４年３月３１日出願の日本特許出願、特願２０１４−０７１７６７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】
【０１４７】
本発明のカートリッジ式中空糸膜モジュールは発酵工業分野、医薬品製造分野、食品工業分野、水処理分野などで使用することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１００  中空糸膜カートリッジ
１０１  カートリッジ式中空糸膜モジュール（中空糸膜モジュール）
１１０  濾過部
１  中空糸膜
２  中空糸膜束
３  筐体本体
３Ａ  大径部
３Ｂ  小径部
３Ｃ  鍔部
３Ｄ  鍔部
４  上部キャップ
４Ａ  段部
４Ｃ  鍔部
５  下部キャップ
５Ｄ  鍔部
６  原液流入口
７  濾過液出口
８  原液流出口（ノズル）
９  整流筒（筒状ケース）
９Ｃ  鍔部
９Ｅ  凸部
１０  整流孔
１１  第１集束固定部
１１Ｅ  段部
１２  第２集束固定部
１３  第２集束固定部ケース
１４  貫通孔
１５  第１シール材
１６  第２シール材
１７  ガスケット用溝
１８  ガスケット
１９  シール部材
３０  筐体
３１  Ｏリング溝
３２  中空糸膜存在領域
３３  中空部
３４  貯液部
３５  環状流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015098266.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2015098266.tif 000015
【図１４】
2015098266.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
2015098266.tif 000039
【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【国際調査報告】
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