(57)【要約】      （修正有）【課題】分離装置の多孔質媒体を著しく汚すことなく、且つ、多孔質媒体に隣接してゲル層を形成することなく、より長い期間作動させることができる分離装置及び分離方法を提供する。【解決手段】分離装置は、せん断領域を含んだ給水チャネルと、供給流体の方向に直交して伸長した透過水通路２２（複数の通路）と、前記給水チャネルの前記せん断領域と、前記透過水通路（複数の通路）との間に位置決めされた多孔質媒体とを備える。分離方法は、供給流体中にせん断層を発生させることと、透過水を透過水通路内へ通過させることとから成る。【選択図】図１
2008200676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸及び当該軸の周りにらせん状に巻かれると共に供給側と浸透側とを有する多孔質媒体を含む、円筒状の分離パックと、
前記分離パック内で軸方向に延びると共に、らせん状に巻かれた多孔質媒体の前記供給側に沿って軸方向に延びるせん断領域を含む供給チャネルと、
前記供給チャネルのせん断領域に接続されていると共に、前記多孔質媒体の、せん断領域の反対の浸透側に沿って供給チャネルと垂直に延びている複数の透過水通路であって、前記多孔質媒体は、供給チャネルのせん断領域と前記透過水通路との間に位置し、前記透過水通路は、分離パック内で互いに隔てられている複数の透過水通路と、
一方の端部で前記給水チャネルと通じている給水注入口と、
もう一方の端部で前記給水チャネルと通じている濃縮出口と、
各々が１つの透過水通路に通じている複数の浸透出口と、
を備える分離装置。
【請求項２】
周りに前記多孔質媒体がらせん状に巻かれる中心の支持体を更に備える請求項１に記載の分離装置。
【請求項３】
前記複数の透過水通路は、複数の浸透出口を通して、前記中心の支持体と通じている請求項２に記載の分離装置。
【請求項４】
前記分離パックを囲うシェルを更に備える請求項１〜３の何れか一項に記載の分離装置。
【請求項５】
前記複数の透過水通路は、前記シェルを貫通している請求項４に記載の分離装置。
【請求項６】
分離パックは、更に給水チャネル内にスペーサ層を含む請求項１〜５の何れか一項に記載の分離装置。
【請求項７】
供給流体中にせん断層を発生させる工程と、
透過水を前記せん断層から第１の透過水通路内へ通過させると共に、前記せん断層から前記第１の透過水通路から隔離された第２透過水通路内へ通過させる工程と、
から成る、分離方法。
【請求項８】
前記第１及び第２の透過水通路内の透過水流／圧力を互いから独立して制御する工程を更に含む請求項７に記載の分離方法。
【請求項９】
前記第１及び第２の透過水通路のうちの一つの先端部から後端部までのＴＭＰに、１０ｐｓｉ以下の差を与える請求項７又は８に記載の分離方法。
【請求項１０】
前記第１及び第２の透過水通路のうちの一つの先端部から後端部までのＴＭＰに、１ｐｓｉ以下の差を与える請求項７又は８に記載の分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米合衆国出願番号第６０／１１７，９７２号の優先権を主張するものであり、本書に参照として組み入れてある。
【０００２】
本発明は、流体中に懸濁した粒子を含んだ混合物からの粒子及び／または流体の分離に関する。例えば、本発明は、流体から粒子を除去することによる流体の浄化または透明化、流体から１つ以上のタイプ、サイズまたは種類の粒子を除去することによる粒子の分離及び流体の一部を除去することによる１つ以上のタイプ、サイズまたは種類の粒子の凝縮に関する。
【０００３】
本発明は、超微小濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透、及び、例えば、国際公報第ＷＯ９８／０９７１７号に記載されている如きせん断分離における広範な粒子及び流体に使用することが可能である。例えば、斯かる粒子は、生物工学的プロセスや、化粧品製造プロセス及び医薬品製造プロセスに共通した生物学的流体等の流体に懸濁した高分子、ミセル、脂肪体（Ｌｉｐｏｓｏｍｅｓ）またはバクテリアである。別の例としては、斯かる粒子は、様々な金属加工作業から生じるオイルに浮遊した金属破壊屑である。更に別の例としては、斯かる粒子は、製紙工程の様々な工程から生じる水に懸濁した紙の繊維であり、または、オイル質の廃棄物の洗浄中に生じる水に浮遊したオイル滴である。
【背景技術】
【０００４】
従来の分離の１つのタイプは「行き止まり（ｄｅａｄ−ｅｎｄ）」濾過である。行き止まり濾過では、懸濁した粒子を含んだ流体が流路に沿って指向され、該流路において多孔質膜等の多孔質のフィルタ媒体を流通させられる。この多孔質膜の主たる特性はその孔サイズの分布である。孔サイズ分布に比較したら比較的小さな粒子は流体と一緒に多孔質膜を通過してしまうが、孔サイズ分布に比較して比較的大きな粒子は多孔質膜の表面または該膜の孔内に保持されて、流体中に懸濁した粒子の分離が行われる。大抵の粒子を保持するには大きく且つ大抵の粒子を通過させるには小さなサイズを多孔質膜の遮断サイズと呼ぶ。
【０００５】
粒子が多孔質媒体内またはその表面に堆積してくると（即ち、汚れ（ｆｏｕｌｉｎｇ）として公知のプロセス）、多孔質膜の孔の有効サイズが低減してくる。これにより多孔質膜を貫通する流れを維持するのに必要な動力を増大しなければならなくなると共に、遮断サイズが変化してくる。汚れの結果であるこれら双方は分離プロセスに重大な結果をもたらす。必要な動力の増大は分離プロセスのコストを増大すると共に、遮断サイズの変化は分離プロセスの機能に影響を及ぼす。多くの分離用途において、特に生物学的流体が関与した分離用途においては遮断サイズの変化は従来の行き止まりフィルタの使用を効果のないものにしてしまう。
【０００６】
従来の分離の別のタイプは、「接線」または「クロスフロー」分離である。クロスフロー分離は、行き止まり濾過における汚れによる有害な影響を軽減することが出来ると共に、場合によっては排除することができる。クロスフロー分離においては、粒子と流体との混合物が通路またはチャネルを貫通するようにされ、斯かる通路またはチャネルの壁が多孔質膜等の多孔質媒体を含んでいる。前記混合物の一部（即ち、濃縮水）が多孔質膜に沿って接線方向に通過する一方で該混合物の残りの部分（即ち、透過水またはろ液）が多孔質膜を通過して分離が行われる。流れの一部を多孔質膜の表面に平行または接線方向に強制的に指向する目的は多孔質膜の表面近傍において高せん断層を発生させて、様々な機構により行き止まり濾過において発生する汚れを低減することである。
【０００７】
効果的ではあるが、従来のクロスフロー分離に重大な問題がないというわけではない。１つの問題は、多孔質膜表面の流れの分布が均一でないことであり、特に、給水流用の幅広の矩形のチャネルを備えた平らな板状の膜から成るクロスフロー装置においてこの不均一な流れの分布が問題となる。従来のクロスフロー装置の管状及び矩形のチャネル形態の双方に影響を及ぼす別の問題は、従来のクロスフロー装置で生じるせん断速度が十分に速くないために多孔質膜の供給（または上流）側に高度に濃縮した懸濁粒子の層が発生するのを防止できないことである。この濃縮粒子の層はゲル層と呼ばれ、それにより生じる現象は濃度分極と呼ばれる。ゲル層は、多孔質膜より小さな孔を備えたフィルタとして作用する。一定のサイズの粒子を多孔質膜で保持した場合、遥かに小さな粒子はゲル層で保持される。その結果、従来のクロスフロー装置及び方法ではサイズの差が１桁未満の粒子は分離することが出来ない。
【０００８】
斯かるゲル層はせん断速度を増大することで低減もしくは除去することが可能である。せん断速度は、従来のクロスフロー装置では１０4程度の逆秒であるが、供給入口と濃縮水出口との間の圧力勾配を大きくすることで増大することが可能である。しかしながら、一般的にはせん断速度を実質的に増大することは、供給入口から濃縮水出口までの圧力勾配を大きくすると装置の入口端で透過水の流束が大きくなると共に、濃縮水出口での透過水流束が比較的小さくなることから、実用的でないと考えられてきた。入口近傍で流束が大きくなるとせん断を妨害して濃度分極を引き起こす一方で、出口での流束が小さいと多孔質膜の処理高及び効率的利用が低減する。透過水出口下流のコントロールバルブにより透過水流を制限することではこの問題を軽減することにはならない。バルブで透過水流を制限すると多孔質膜の透過水側の圧力を均一に変化させるが、多孔質膜の上流側に沿った大きな圧力勾配を著しく変化させることにはならない。従って、入口近傍の透過水流束と出口近傍の透過水流束との差は残ったままである。透過水流を大幅に制限すると、入口端での流束は十分に低減して濃度分極を起こさずに済むが、出口端での透過水流束が逆流して多孔質膜の透過水側から濃縮水側へと流れることになる。この現象はスターリング（Ｓｔａｒｌｉｎｇ）流として公知である。
【０００９】
ゲル層は、また、せん断速度、多孔質膜特性及び分離中の懸濁液等の要因により決定される臨界値より低く透過水流束を維持することで大幅に低減または除去することが可能となる。膜を通しての圧力（ＴＭＰ）を制御することで透過水流束を制御することが可能であり、但し、ＴＭＰは膜の上流側の部位の圧力と巻くの下流、即ち、透過水側の対応する点の圧力との差として定義することが可能である。膜を通過する流束はＴＭＰが増大すると増大する傾向にある。しかしながら、流束の増大と共に汚れも増大する。故に、透過水流束とＴＭＰとの間の関係は全体として直線的ではない。従来のクロスフロー装置においては、ＴＭＰが増大するに連れて、透過水流束が増大するが、ＴＭＰの増大の仕方に関係なく、透過水流束が漸近的に最大に接近するに連れて増大の速度はゼロに接近する。
【００１０】
ＴＭＰを制御する周知の方法は、透過水流体を十分に速い流量で透過水通路を通して再循環させて、装置の入口端近傍の部分から装置の濃縮水端近傍の部分までの透過水通路内での圧力変化が膜の上流側に沿った対応する圧力降下と同じになるようにすることである。この方法は、特許文献１に記載されており、再循環透過水流を起こすポンプのコストが追加で必要となる。透過水を再循環させてＴＭＰを均一に維持することの難しさは、一般的に透過水容積の流量は濃縮水流量より非常に小さいので、再循環速度が非常に大きくなってしまうことであり、または、透過水通路の断面積が非常に小さくて濃縮水側の圧力降下と等しい圧力降下を成立させることが出来ないことである。
【特許文献１】米国特許第４，１０５，５４７号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、多くの改良された分離装置及び方法を提供する。例えば、本発明の１態様によれば、分離装置は、供給流体流通する給水チャネルを備える。給水チャネルはせん断領域を含み、該せん断領域は供給流体流の方向に一定の長さを有する。分離装置は、また、透過水チャネルを１つだけ備え、該チャネルは給水チャネルのせん断領域と作動関係にある。透過水通路は、全体として供給流体流の方向に垂直に伸長する。透過水通路は、供給流体流の方向に一定の幅を有しており、該幅は給水チャネルのせん断領域の長さより小さくされる。分離装置は、更に、給水チャネルのせん断領域と透過水通路との間に位置決めされた多孔質媒体を備える。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、分離装置は、供給流体が流通する給水チャネルを備える。給水チャネルは、せん断領域を含む。分離装置は、また、透過水通路を１つだけ備え、該通路は給水チャネルのせん断領域と作動関係にある。透過水通路は、全体として供給流体流の方向に垂直に伸長すると共に、供給流体流の方向に一定の幅を有しており、該幅は約２０ｍｍ未満にされる。分離装置は、更に、給水チャネルのせん断領域と透過水通路との間に位置決めされた多孔質媒体を備える。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、分離装置は、給水チャネルと、２つ以上の透過水通路と、多孔質媒体とを備える。給水チャネルはせん断領域を含み、且つ、透過水通路は給水チャネルのせん断領域と作動関係にある。更に、透過水通路は、少なくとも、第1及び第２の透過水通路を含み、該通路は互いに隔離される。多孔質媒体は、給水チャネルのせん断領域と透過水通路との間に位置決めされる。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、分離装置は、供給流体が流通する給水チャネルと、透過水が流通する２つ以上の透過水通路とを備える。給水チャネルはせん断領域を含み、且つ、透過水通路は給水チャネルのせん断領域と作動関係にある。分離装置は、更に、少なくとも、第１及び第２の流／圧力制御装置を備える。第１及び第２の流／圧力装置の各々は、１つの透過水を透過するように制御すると共に、または、１つの透過水通路または１グループの透過水通路内の圧力を制御するように配置されており、斯かる制御は、別の透過水通路または別のグループの透過水通路内の透過水流及び／または圧力から独立して行われる。分離装置は、更に、多孔質媒体を含み、該多孔質媒体は供給室のせん断領域と透過水通路との間に位置決めされる。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、分離方法は、供給流体中にせん断層を生成すること、及び、透過水をせん断層から第１の透過水通路内へ通過させることから成る。分離方法は、更に、透過水をせん断層から第１の透過水通路から隔離された第２の透過水通路内へ通過させることから成る。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、分離方法は、供給流体中にせん断層を生成すること、及び、透過水をせん断層から第１及び第２の透過水通路内へ通過させることから成る。分離方法は、更に、第１及び第２の透過水通路内の透過水流及び／または圧力を互いに独立して制御することから成る。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、分離方法は、多孔質媒体のせん断領域でせん断層を生成することから成る。分離方法は、更に、せん断領域の長さに沿って膜を通した圧力（ＴＭＰ）を独立して増分制御することを備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の１つ以上の態様を具現化した分離装置及び方法は従来の装置及び方法より優れた多数の利点を提供する。例えば、実施態様の多くが従来の装置及び方法の幾つかより遥かに高いせん断速度、即ち、１桁以上高いせん断速度で作動する。従って、これらの実施態様は多孔質媒体を著しく汚すことなく、且つ、多孔質媒体に隣接してゲル層を形成することなく、より長い期間作動することができる。更に、実施態様の多くは、透過水流及び／または圧力を制御して、多孔質媒体全体を非常に効率良く使用すると共に、高いせん断速度でも透過水処理を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
１態様によれば、本発明は、供給入口と濃縮水出口との間のせん断領域において高せん断層を生成して、ゲル層の形成を防止するのに十分大きなせん断速度で作動する共に、多孔質膜の長さ方向のせん断領域内の透過水流または圧力、従って、透過水を再循環することなくＴＭＰを制御するクロスフロー分離装置及び方法を提供する。供給流体は、該装置をたった一度だけ通過する時にせん断領域を通過するように指向することが可能であり、または、多数回通過モードの場合には循環するようにすることが可能である。多孔質媒体は処理中の流体のタイプ及び、例えば、超微小濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透、または、せん断分離等の所望の分離タイプに適したものならいずれの分離媒体であっても良い。多孔質媒体は、多孔質金属媒体、多孔質セラミック媒体、多孔質ガラス媒体、または、多孔質高分子媒体を備えることが可能である。多孔質媒体の形態は、多孔質のシートまたは管、織繊維ウェブまたは不織繊維ウェブ、繊維塊、または、多孔質膜または半透膜とすることが可能である。好適な多孔質媒体には、高分子膜、織った微細金属メッシュ及び多孔質金等の多孔質金属が含まれる。
【００２０】
本発明を具現化した様々なクロスフロー装置及び方法では、大量の供給流を多孔質表面を有した狭い間隙または多孔質壁を有した小径の管を通してせん断領域に強制的に流すことで、例えば、５００，０００逆秒を超える、更には７００，０００逆秒を超える高いせん断速度を発生させることが可能となる。大きな流量を強制的に狭い間隙を貫通させると装置の供給入口と濃縮水出口との間のせん断領域において大きな圧力降下が発生し、供給入口と濃縮水出口間の前記の如き大きな差圧が存在することで、透過水流または圧力、従って、ＴＭＰの制御が好適に行われる。本発明の１態様によれば、せん断領域近傍の透過水路は少なくとも１つの透過水流通路、好適には複数の独立した透過水流通路に分割される。斯かる通路は供給流の方向に概ね直交するような配向にされるのが好適である。透過水流通路（または透過水流通路のグループ）は互いに隔離されて各透過水流通路（またはグループ）内で透過水流または圧力が独立したものとなり、せん断領域の全長に沿ってＴＭＰが増分制御されるのが好適である。透過水通路内の透過水流または圧力は、各透過水通路（またはグループ）に対するＴＭＰがせん断領域の全長に沿ったＴＭＰの所望の関係と合致するように制御されるのが好適である。例えば、せん断領域の全長に沿ってＴＭＰを一定にする、即ち、ＴＭＰを均一にすることが望ましい場合もあり、または、せん断領域に沿った１つ以上の部位のＴＭＰをその他の部位より高くしたり、または、低くしたりする、即ち、ＴＭＰを不均一にするのが望ましい場合がある。
【００２１】
本発明を具現化したクロスフロー装置の一例の流路のスケッチを図1及び図２に図示する。本装置１０では、２つの全体として平らな、狭い間隙の供給（または濃縮水）チャネル１２が図示されている。或いは、１つまたは３つ以上の給水チャネルを使用することができる。例えば、より多数の供給シャネルを備えたクロスフロー装置を図示の構造を縦方向に繰り返し積み重ねて構成することができる。各チャネル１２は、供給入口１６と濃縮水出口１８との間の間隙中にせん断領域を含み、該せん断領域においては、図２に図示する如く流体が供給入口１６から濃縮水出口１８へ流れる時に高せん断層が発生する。各狭い間隙は約０．０７ｍｍ乃至約１．３０ｍｍの範囲の一定の高さ、好適には均一の高さを有する。各給水チャネル１２は、また、多孔質膜等の上部多孔質媒体２０及び下部多孔質媒体２０を含むのが好適であり、斯かる多孔質媒体の各々は給水チャネル１２のせん断領域１４において多孔質表面を画成して、図２に図示する如く、給水チャネル１２のせん断領域１４を透過水通路２２から分離する。或いは、各給水チャネルにたった１つの多孔質媒体を配置することが可能である。供給マニホールドを配置して１本の供給管から多数の給水チャネルへ流体を流すようにすることが可能である。濃縮水マニホールドを配置して多数の濃縮水出口から１本の濃縮水管へ流体を流すようにすることが可能である。
【００２２】
給水チャネル１２から多孔質膜２０を貫通する流体は供給流の方向に直交するように配向されるのが好適である多数の透過水通路２２の１つに流入する。各透過水通路２２は、１つの透過水通路２２の供給流方向の横断スパン（即ち、透過水通路の幅）が給水チャネル１２のせん断領域１４の全長の小セグメント、例えば、約７５％未満、好適には約５０％未満、より好適には２５％未満、更に好適には１５％乃至１０％未満を含むような寸法にされるのが好適である。従って、各透過水通路２２の上流即ち先端縁から下流即ち後端縁までの給水チャネル１２に沿った差圧は比較的小さなものとなる。透過水通路２２の幅はそれぞれに変えることが可能であるが、幅は均一であるのが好適であり、約２ｍｍ以下から約１５ｍｍ以上の範囲にあるのが好適である。各透過水通路２２の幅は、透過水通路２２の先端縁から後端縁までのＴＭＰの差が好適には約１０ｐｓｉ程度以下、より好適には約１ｐｓｉ程度となるような寸法にすること可能である。
【００２３】
透過水流または圧力は様々に制御することが可能である。例えば、透過水通路からの透過水流を１組の流及び／または圧力制御装置に指向することが可能である。斯かる流及び／または圧力制御装置は任意の適当な方法に構成することが可能であり、例えば、制流子またはバルブとして構成することも含む。精密な制御をする必要がない場合には固定または可動オリフィスまたは細管等の制流子が好適である。好適には、流／圧力制御装置は、図１に図示する如き１組の流制御バルブを備える。各透過水通路２２を異なる流制御バルブ２４に接続することが可能である。しかしながら、供給圧力がおなじ透過水通路２２ａ、２２ｂ、・・・２２ｉ、２２ｊを共通の流制御バルブ２４ａ・・・２４ｊと一緒にグループ化することが好適である。例示の実施例では、供給入口１６の下流の同一距離から透過水を取る全ての透過水通路２２ａ、２２ｂ、・・・２２ｉ、２２ｊの流は同一の制御バルブ２４ａ・・・２４ｊへ指向される。故に、制御バルブ２４の数はたった１つの多孔質膜２０ｋらの透過水が分割される透過水通路２２の数と等しくなる。（図を簡単にするために、図１では最初と最後の制御バルブ２４ａ、２４ｊのみを図示する。）或いは、１つの透過水通路と１つ以上の下流の透過水通路、例えば、２つの隣接した透過水通路２２ａ、２２ｂとを同一の制御バルブに連結することが可能である。各流制御バルブ２４ａ・・・２４ｊの出口に共通の透過水マニホールド２６を供給することが可能である。
【００２４】
各流制御バルブ２４を（手動または流／圧力制御装置に連結することが可能であり、且つ、制御機構の一部としてフィードバックを使用することも、または、使用しないことも可能な制御システムにより）調整して透過水通路２２内の流または圧力を所望の流または圧力に、及び、従って、透過水通路２２に関係した多孔質膜２０を横断するＴＭＰを所望のＴＭＰに維持する。異なる透過水通路２２に異なる透過水流または透過水圧力を提供することが可能である。制御バルブ１０を調整して各透過水通路２２内にせん断領域１４の全長に沿って略均一なＴＭＰを発生する透過水流または圧力を提供するのが好適である。しかしながら、制御バルブ１０を調整してせん断領域１４の全長に沿って不均一のＴＭＰを提供することが可能である。更に、初期のＴＭＰが均一であってもまたは不均一であっても、制御バルブ１０を時間が経つに連れて透過水通路２２内の透過水流または圧力を変動するように調整して、例えば、多孔質膜の透過性の変化を補償するようにすることが可能である。
【００２５】
本発明を具現化したクロスフロー装置の従来のクロスフロー装置に対する１つの利点は、透過水流れ／圧力またはＴＭＰの制御の信頼性を維持しつつ、より高いせん断速度を発生することが可能となることである。これにより、粒子を分離する多孔質膜の孔サイズ分布及び／または国際公報第ＷＯ９８／０９７１７に記載された如く多孔質膜特性とは独立して粒子を分離するせん断効果を利用して、ゲル層の干渉をなくして分離を達成することが出来る。せん断速度が非常に大きなことから、上記の分離を達成する透過水流量は従来のクロスフローで達成できるものより数桁大きくなる。
【００２６】
本発明を具現化したクロスフロー装置の従来のクロスフロー装置に対する別の利点は、供給流路の全長に亘って局部的に透過水流の制御ができることである。この局部制御の空間的分解能は透過水通路の幅に合致し、該幅は所望なだけ狭くすることができる。透過水通路の幅が狭くなればなる程、空間的分解のが大きくなると共に、流制御バルブ数も大きくなる。
【００２７】
本発明を具現化したクロスフロー装置３０の別の例を図３及び図４に図示する。このクロスフロー装置３０は、試験組織構成の一部として配置することが可能であり、試験取り付け具３２及びフィルタ要素３４を含むことが可能である。
【００２８】
試験取り付け具３２は、供給入口３８と濃縮水出口４０との間に伸長した給水チャネル３６を含む。給水チャネル３６は、狭い間隙４４中にせん断領域４２を含む。斯かる間隙４４は、密封した間隙断面のみならず、フィルタ要素３４の多孔質膜４６の表面と、該多孔質膜４６の反対の取り付け壁４８との間では均一で安定した高さをして、確実に流の読みが直接間隙４４間の圧力降下に関係するようにするのが好適である。間隙の幅及び長さは、本発明の範囲を逸脱しなければ、様々な寸法にすることが可能である。高さは、約０．０７ｍｍ乃至約１．３０ｍｍの範囲にあるのが好適である。例示の実施例では、間隙４４の長さは約１７．６ｍｍであり、幅は約４０ｍｍであり、且つ、高さは約０．１７８ｍｍである。
【００２９】
試験取り付け具３２はさまざまに構成することが可能である。例えば、試験取り付け具３２は、堅牢なポリマー及び例えばステンレススチール等の金属等の構造的に堅牢な材料から構成した上部ハウジング部５０及び下部ハウジング部５２を含むことが可能である。上部ハウジング部５０は、供給入口３８及び濃縮水出口４０を含むことが可能である。下部ハウジング部５２は、透過水出口５４及び透過水ポートＯリング５８を含むことが可能である。下部ハウジング部５２は、また、フィルタ要素３４の構造的保全性を高めると共に、均一な間隙４４を提供する一助をなす。
【００３０】
フィルタ要素３４は、支持プレート６０を含むのが好適である。多孔質膜支持２は支持プレート６０上に配置されると共に、多孔質膜４６は多孔質膜支持６２上に配置される。多孔質膜支持６２及び多孔質膜４６の双方が、例えば、好適には溶剤結合で支持プレート６０に永久固定されると共に、好適には支持プレート６０の全寸法方向に伸長して確実に間隙４４において流れの混乱が起きないようにされる。支持プレート６０、多孔質膜支持６２及び多孔質膜４６の各々は、様々な適当な材料から形成することが可能である。例示した実施例では、支持プレート６０は、堅牢な金属またはポリスルホンプレート等の高分子材料から成り、多孔質膜支持６２は、織ったまたは不織の高分子シートまたはメッシュから成り、及び、多孔質膜４６は、ポールコーポレーション（Ｐａｌｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製の如き３５ｐｓｉＫL及び０．１５２ｍｍ厚さのナイロン６６膜等の高分子膜から成ることか可能である。多孔質膜は、本実施例には好適な多孔質媒体であるが、織ったまたは不織の高分子シートまたは多孔質金属シートを含んだその他の多孔質媒体も適している。
【００３１】
例示の実施例のクロスフロー装置３０は、せん断領域に４２に関係したたった１つの透過水通路６４を有する。斯かる透過水通路６４は、供給流の方向に概ね直交するように伸長するのが好適であり、間隙４４の長さに比較して先端縁から後端縁までの幅が比較的狭くされる。例えば、透過水通路６４の幅は、好適には間隙４４の長さの約７５％未満であり、より好適には約６０％未満である。透過水通路６４の相対的長さを制限することで透過水通路６４内の透過水流及び／または圧力の制御が容易になる。従って、透過水流／圧力制御装置を省略することが可能となる。間隙４４は、流入する供給流を真っ直ぐにするのに十分な距離透過水通路６４の先端縁の上流に伸長するのが好適である。例えば、例示の実施例では、透過水通路６４の先端縁は間隙入口から約５ｍｍであり、透過水通路６４の後端縁は間隙出口から約２ｍｍである。
【００３２】
透過水通路６４は、任意の適切な方法で図１及び図２に図示した連続した矩形のチャネルとして形成することが可能である。図３及び図４に例示した実施例では、透過水通路６４は支持プレート６０に形成されると共に、互いに隣接して平行に配置された幾つかのスロットを備える。スロットの数及び寸法はさまざまにすることが可能であるが、例示の実施例では、約３０の隣接したスロットがあり、該スロットは約０．６４ｍｍ離されており、各スロットの幅は約０．６４ｍｍであり、長さは１０．７５ｍｍである。スロットの総面積は約０．０００４平方メートルであり、該総面積は、流束速度計算に使用する尺度である。スロットは、支持プレート６０の表面下に伸びるダクト６６により流体接続されて透過水通路６４を形成する。透過水マニホールド６８が透過水ダクト６６から下部ハウジング部５２の透過水付属品を貫通して透過水出口５４ｍで伸びる。
【００３３】
前記の試験組織構成は、更に、例えば、３．８１ｃｍ（１．５インチ）の３クランプ取り付けポートにより取り付けられたクロスフロー装置３０の直ぐ上流及び直ぐ下流の圧力センサを含むことが可能である。低圧力降下配管は、供給圧力センサと取り付け具間隙４４との間及び濃縮水圧力センサと取り付け具間隙４４との間に伸長して、実質的に該間隙４４により圧力降下が確実に生じるようにするのが好適である。圧力センサの下流にダイヤフラムバルブを取り付けて間隙４４間の流量及び圧力降下を調節することが可能である。給水は遠心ポンプにより熱交換器を通して供給して温度が均一な給水を提供するようにすることが可能であり、且つ、該給水温度を給水圧力センサの直ぐ上流で監視することが可能である。ダイヤフラムバルブを透過水出口５４に取り付けてＴＭＰ及び透過水流／圧力を制御すると共に、透過水圧力センサを透過水バルブの上流に取り付けるのが好適である。
【００３４】
図３及び図４に図示したクロスフロー装置３０を任意の適当な方法で分析することが可能であり、例えば、２つの圧力降下値を使用してクロスフロー装置３０を特徴付けることが可能である。第１は、間隙４４に沿った総供給圧力降下（ＰＧ）である。所定の間隙高さ及び長さと流体特性では、ＰＧは壁せん断速度により決定され、壁せん断速度は均一な間隙４４の全長にそって略一定である。第２は、透過水通路６４間に伸びる間隙長の一部に沿った供給圧力降下（ＰＭ）である。Ｐ１が透過水通路６４の先端縁における圧力、且つ、Ｐ２が透過水通路６４の後端縁における圧力とした場合で、ＰＭ＝Ｐ１−Ｐ２であれば、ＴＭＰを計算するには、透過水通路の供給圧力ＰＦをＰＦ＝Ｐ２＋（０．５）（ＰＭ）と定義する。ＴＭＰはＰＦ−ＰＰに等しくなる、但し、ＰＰは透過水圧力である。
【００３５】
図３及び図４に図示したクロスフロー装置３０及び前記試験組織構成は、広範な種類の流体に使用することが可能である。１つの例は原料スキムミルクの濾過である。しかしながら、この例は本発明の範囲を限定するものではない。
【００３６】
例
図３及び図４に図示したクロスフロー装置３０及び該クロスフロー装置３０を組み込んだ前記試験組織構成を使用して約５２．８℃（華氏１２７度）の原料スキムミルクを濾過した。７×１０5逆秒のせん断速度を発生する間隙４４に沿った目標圧力降下ＰＧは２０ｐｓｉであった。
【００３７】
試運転を開始する前に条件を設定して多孔質膜がスターリングフローの逆圧力で破壊されるのを防止すると共に、多孔質膜の早期汚れを防止するようにした。目標供給ミルク流量は、試験取り付け具の上流のドレイン用バイパス（ｂｙｐａｓｓ−ｔｏ−ｄｒａｉｎ）内で目標流量、圧力及び温度に確立した。試験取り付け具を水で事前に暖めると共に、濃縮水バルブを目標圧力降下ＰＧの半分が発生するように設定した。次いで、供給ミルク圧力をＰＧの半分に下げ、試験取り付け具への水流を停止し、且つ、ミルク流を試験取り付け具内へ進路を変換した。透過水バルブを極僅か開いて若干の透過水を流して透過水圧力を下げると共に、スターリングフロー背圧を下げた。直後に、濃縮水バルブを開いて目標間隙圧力降下ＰＧを提供することで、総供給流量が約４リットル／分になった。透過水流を監視すると共に、透過水バルブを調整して目標投下水速度を維持した。実験の過程で透過水速度を上昇させて時間を延長して維持した。実験は約６時間後に終了すると共に、認められる多孔質膜の汚れは殆どなかった。
【００３８】
図５及び図６は試験結果を示す。流束及び汚れデータの結論は、原料スキムミルクの濾過を２１３０ＬＭＨ（リットル／ｍ2時）の流束速度で無限に継続することが可能であった、または、流束速度を更に増大することが可能であったと言うことである。
【００３９】
上記例は、また、小さな透過水チャネル内のＴＭＰまたは投下水流／圧力を制御しつつ、非常に高いせん断速度クロスフロー装置に加えることが出来ること、及び、非常に高いせん断速度により多孔質膜の汚れを著しく低減させるか、または、防止できて、これによりゲル層の形成をなくすと共に、多孔質膜特性をさらに十分に分離工程に利用することができることを示す。
【００４０】
上記例は、また、供給流量、せん断速度及び間隙圧力降下が非常に高くても、好適には供給流方向に直交するような向きにされた低抵抗透過水チャネル及びバルブ等の透過水流及び圧力を制御する装置を使用することでクロスフロー装置においてＴＭＰを実際的かつ信頼性を持って制御することが可能となることを示す。
【００４１】
更に、上記例は、幾つかの修正を施すことが可能である。例えば、一連の幾何学的に平行な透過水チャネルを間隙の全長の大部分または全部に亘って伸長するように構成することが可能である。透過水チャネルの幅を増減させて、例えば、特に始動時のスターリングフローに取り組むとか、または、前記の供給流体中における強度または汚れ傾向等の膜の特性に取り組むようにすることが可能である。多数のクロスフロー間隙を平行に構成すると共に、同一の透過水圧力を有した前記間隙に関係した透過水チャネルを供給するようにするか、または、マニホールドで共通の制御バルブへ集配することも可能である。上記に説明した如く、追加のクロスフロー間隙及び間隙及び透過水通路群を供給流容積の利点を生かすように直列に構成することも、または、ブースターポンプを個々の群の間に追加して構成することも可能である。
【００４２】
本発明の態様を平らなクロスフロー装置に関連させて説明してきたが、本発明は、該特徴に限定されるものではない。当業者であれば、特に前記の教示したことを鑑みれば、修正をしたり、代替例を利用できることは自明である。例えば、円筒状または管状クロスフロー装置及び方法も本発明の様々な態様を具現化することが可能である。
【００４３】
円筒状クロスフロー装置８０の１例をを図７及び図８に例示する。該円筒状クロスフロー装置８０は、円筒状カートリッジ８２を備えており、該カートリッジは、不透過性の円筒状シェル８４及び該シェル８４内に位置決めした分離パック８６を含む。分離パック８５は、中央スプール８８及び１つ以上の分離リーフ９０を備えており、該リーフは前記すプール８８の周りに巻きつけられて隣接するリーフ９０間に狭い間隙９２を画成し、該隣接するリーフは給水チャネルのせん断領域９４としての役割を果たす。供給流体流はカートリッジ８２の第１端部内へ指向され、分離パック８６の第１端部内へ流入して、幅狭の給水チャネルせん断領域９４に沿った間隙９２を軸線方向に貫通して、分離パック８６の第２端部まで流れる。分離パック８６は、シェル８４内で、例えば、ポリウレタン等の注封材料９６で封止されるのが好適である。注封材料９６は供給流体が、例えば、シェル８４と分離パック８６との間の間隙等の制御されない間隙に沿って分離パック８６をバイパスするのを防止する。その他の封止機構が、例えば、国際出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ／０５０９号に開示されており、該国際出願は参考として本書に組み入れられている。或いは、前記カートリッジ内の狭い間隙に類似した狭い外側間隙を最外側リーフ（複数のリーフ）とシェルとの間に画成するように分離パック及びシェルを配置して、前記間隙と連繋する多孔質媒体上にせん断領域を設ける。
【００４４】
分離パック８６は、供給流体流を透過水流及び濃縮水流に分離する。透過水流及び濃縮水流派は、濃縮水流から透過水流を隔離する円筒状カートリッジ９２から任意の適当な方法で流出する。例示の実施例では、透過水流は、分離パック８６の第２端部からシェル８４を貫通して伸長する透過水出口導管９８を介して円筒状カートリッジ８２を流出するのが好適である。濃縮水流は、分離パック８６の第２端部からスラスト格子１００を貫通して伸長して、円筒状カートリッジ８２の開放した第２端部を介して流出するのが好適である。スラスト格子１００は、分離リーフ９０に接触するのが好適であり、且つ、分離パック８６の第１端部から第２端部までの給水チャネルを介した供給流体圧力降下による濃縮水流からのスラストに反作用する。スラスト格子１００は様々に構成することが可能であり、好適にはシェル８４に取り付けられて、スラスト力をシェル８４に伝達すると共に、加わった力を維持、低減し、且つ、分離リーフ９０を適所に維持する一助となる。しかしながら、スラスト格子１００を例えば、スプール８８の端部等の任意のその他の適当な部位において分離パック８６の第２端部に取り付けることが可能である。
【００４５】
分離パックは様々に構成することが可能である。例えば、例示の実施例では、分離パック８６は、中央の透過水収集スプール８８及び１つ以上の分離リーフ９０を備えており、該分離リーフは、好適には螺旋状に、前記スプール８８に連結されると共に巻きつけられる。図９に図示する如く、スプール８８は、渦巻き状の形状を有して１つ以上の螺旋状に巻きつけられた分離リーフ９０を中央で支持するのが好適である。スプール８８は、また、１つ以上の通路（図示なし）を含んで透過水を分離リーフ９０から透過水出口導管９８まで流体連絡させる。
【００４６】
図１０乃至図１２に図示する如く、各分離リーフ９０は、透過水グリッド１０２、多孔質膜等の多孔質媒体１０４及び透過水グリッド１０２の各端部に取り付けられたヘッダ１０６、１０８を含み、前記多孔質グリッド１０２は透過水グリッド１０２の対向する広域面の各々に取り付けられるのが好適である。透過水グリッド１０２は、比較的薄い方が好適であると共に、十分な可撓性を有してリーフ９０がスプール８８及びその他のリーフ９０の周りに巻きつけられるのを可能にする。透過水グリッド１０２は、高分子材料から成るのが好適であり、押し出し品、巻締押し出し品、巻締フィルム、射出成形構造体等の成形構造体、または、あまり好適ではないが、機械加工グリッドとして形成することが可能である。
【００４７】
透過水グリッド１０２は、複数の平行なリブ１１０を含むのが好適であり、該平行はリブは、透過水溝等の複数の透過水チャネル１０２を画成する。透過水リブ１１０及び透過水溝１１２は、供給流体方向に略直交するように配向されるのが好適である。各透過水溝１１２は、好適には断面積が十分に大きくて、前記溝に沿った透過水流による外側端から内側端までの圧力降下が、多孔質膜１０４を介しての圧力降下または分離パック８６の給水端から濃縮水端までの圧力降下に比較して比較的小さくなる。透過水グリッド１０２は、また、先端縁及び後端縁１１４、１１６を有するのが好適であり、該先端縁及び後端縁は、給水流が分離パック８６内へ円滑に移行し、且つ、濃縮水流が分離パック８６から円滑に移行するようなプロフィールにされる。更に、透過水グリッド１０２は、多孔質媒体１０４を取り付けることが可能なポケットを画成する双方の広域面上の１つ以上のステップ１１８を有することが可能である。ステップ１１８は、多孔質媒体１０４が２つ以上の層を含む場合には好適である。
【００４８】
多孔質媒体１０４は、好適には、少なくとも１つの支持または不支持の多孔質膜を含んだ１つ以上の層を備えることが可能であり、該多孔質媒体は、任意の適当な方法で透過水グリッド１０２に取り付けられる。１つの膜を透過水グリッド１０２の各広域面に、該膜を溶剤または接着剤結合またはヒートシールを含んだ任意の適当な方法でリブ１１０及びステップ１１８に取り付け且つ封止することで固着することが可能である。リブ１１０への取り付けにより、多孔質膜１０４を背圧に対して支持することが可能となり、多孔質膜がうねるのを防止され、給水チャネル間隙の高さを低くすることが可能となる。更に、多孔質膜１０４をリブ１１０に取り付けることで、透過水グリッド１０２内で透過水溝１１２の各々が隔離される。多孔質膜１０４をポケット内でステップ１１８に固着することにより、膜１０２が先端縁及び後端縁１１４、１１６の表面と略面一になって、流の不連続及び流体流による膜の損傷が防止される。或いは、透過水グリッドにステップを設けなくても良く、多孔質膜は給水チャネルの狭い間隙の外側へ伸長することが可能であると共に、先端縁及び後端縁のプロフィール表面に結合することが可能である。
【００４９】
多孔質媒体が２つ以上の層を備える場合には、追加の層を追加のステップにとりつける、または、先端縁及び後端縁のプロフィールに連結することが可能である。隣接した媒体層は、また、透過水が媒体層を貫通するのを可能にする任意の適当な方法で互いに接合される。例えば、隣接した媒体層は、連続的にまたは周期的に、例えば、透過水溝に平行なストリップに連結して、媒体層間で給水方法に透過水が再循環するのを禁止すると共に、該再循環は、禁止されなければ、背圧により多孔質媒体をうねらせるように作用する。好適には、最外側媒体層は、任意の適当な方法で取り付けられて、給水チャネル間隙に連繋する略平らな媒体表面となるようにされる。
【００５０】
ヘッダー１０６、１０８は、透過水グリッド１０２の各端に取り付けることが可能であり、好適には、多孔質媒体１０４は、また、ヘッダー１０６、１０８に取り付けられる。例えば、ヘッダー１０６、１０８は透過可能なグリッド１０２と同様な方法で段付きにすることが可能であり、多孔質媒体１０４の１つ以上の層を透過水グリッド１０２に関して前記した如く、ヘッダー１０６、１０８のポケット内に固着することがかのうである。或いは、多孔質媒体は、任意のその他の適当な方法でヘッダーに固着することで可能である。例えば、多孔質媒体を透過可能なグリッドを超えてヘッダーの上部または下部表面上へ伸長することが可能であり、そこにおいて前記多孔質媒体が取り付けられる。ヘッダー１０６、１０８は、例えば、高分子材料等の透過水グリッド１０２と同一の材料から形成することが可能である。多孔質媒体１０４を溶剤接着により取りつける場合には、透過水グリッド１０２及びヘッダ１０６、１０８の双方を高分子材料から構成することが可能であり、該高分子材料は、前記多孔質媒体１０４に比較して、溶剤に優先的に溶解する。
【００５１】
スプール８８から隔置されたヘッダー１０６、即ち外側ヘッダーはめくらヘッダーあり、透過水溝１１２または溝のグループで終端することが可能であり、該溝はリブ１１０及び多孔質媒体１０４により画成される。めくらヘッダー１０６は、各透過水溝１１２または透過水のグループを互いから隔離する方法で透過水グリッド１０２及び多孔質媒体１０４に接合されるのが好適である。スプール８８に最も近いヘッダー１０８、即ち、内側ヘッダーは、スプール８８に連結されて透過水が透過水グリッド１０２内の透過水溝１１２からスプール88内の透過水通路まで、従って、透過水出口導管９８まで流れるようにされる。例えば、内側ヘッダー１０８は、前記グリッド１０２内の透過水溝１１２または透過水溝のグループと前記スプール８８内の透過水通路間を連絡する１つ以上の通路を含むことが可能である。
【００５２】
各透過水溝または透過水溝のグループの透過水流／圧力を制御する装置は、分離カートリッジと様々に作動関係にすることが可能である。例えば、制御装置は分離カートリッジの外側にあっても良い。透過水グリッドの透過水溝または溝のグループはそれぞれ内側ヘッダーの対応する隔離された透過水通路と連絡することが可能であり、該透過水通路は、代わって、スプールの対応する隔離された透過水通路とそれぞれ連絡することが可能である。スプール通路は、代わって、それぞれたった一つの出口透過水導管の別々の透過水出口導管または隔離された透過水通路と連絡することが可能である。個々の透過水流は、次いで、流／圧力制御装置、例えば、別々のカートリッジに対して外側のバルブに接続すると共に、共通のマニホールドに送られるようにすることが可能である。
【００５３】
別の代替例として、制御装置をスプール内に配置することが可能である。個々の透過水溝または溝のグループに対向した個々の透過水流は、内側ヘッダーからスプール内のそれぞれの流／圧力制御装置まで流れる。透過水流は、制御装置から共通の通路、従って、前記たった１つの透過水出口導管まで流れる。更に別の代替例として、流／圧力制御装置を透過水グリッド内、または、透過水グリッドとヘッダーとの間に配置することが可能である。制御装置から流れる透過水は、次いで、ヘッダ及びスプールの共通の通路及び、従って、透過水出口導管へ供給される。
【００５４】
図１２及び図１３に例示した実施例では、制御装置１２０が内側ヘッダー１０８内に配置されると共に、好適にはオリフィスまたは細管等の制流子を備えるのが好適である。１つの制流子１２０は各透過水溝１１２または透過水溝のグループと連絡する。各制流子１２０は、対応する透過水溝（複数の溝）１１２内に透過水溝（複数の溝）の多孔質媒体を横断する所望のＴＭＰを提供する流量または圧力を提供するようなサイズにすることが可能である。透過水溝１１２または透過水溝のグループは、制流子１２０を通して平行に接続されるのが好適である。透過水流は、内側ヘッダー１０８内の制流子１２０からスプール８８内の共通の通路、従って、透過水出口導管９８へ供給するようにすることが可能である。
【００５５】
スプール８８に連結された前記１つ以上の分離リーフ９０の各々の内側ヘッダー１０８が透過水グリッド１０２からスプール８８へ透過水を連絡することで、分離リーフ９０がスプール８８の周りに巻きつけられる。該リーフ９０はスプール８８から隔置されると共に、互いに隔置し合って図１０に図示した如き狭い給水間隙９２を形成し、該間隙は給水室のせん断領域を含む。給水間隙は、約０．０７ｍｍ以下乃至約１．３０ｍｍ以上の範囲、より好適には約０．１２ｍｍ乃至約０．３８ｍｍの範囲の高さ、より好適には均一の高さを有するのが好適である。
【００５６】
前記間隙高さを維持するために、スペーサを各分離リーフと関係させることが可能である。該スペーサは、様々に配置することが可能である。例えば、スペーサは、さまざまな形状にされたスタンドオフを備え、該スタンドオフは、透過水グリッドから外側方向に向いており、且つ、図１４Ａに図示した如く、多孔性媒体１０４、または、透過水グリッドと一体化される。或いは、スペーサは、メッシュまたは波形フィルム等の多孔質層１２４を備え、該多孔質層は給水間隙９２内で多孔質媒体１０４間に配置され、前記波が図１４Ｂに図示した如く軸線方向に伸長する。しかしながら、間隙高さは、前記間隙９２内のリーフ９０とスプール８８間及び隣接したリーフ９０間で平行に軸線方向に配置された隔置したロッド１２６により維持されるのが好適である。前記ロッド１２６は、様々な横断面にすることが可能であり、例えば、円形または矩形である。前記ロッドは、図１４Ｃに図示する如く、隣接する多孔質媒体１０４間で透過水グリッド１０２の先端縁１１４から後端縁１１６まで伸長するのが好適である。前記ロッド１２６は、高分子材料または高分子を被覆した金属またはガラスから形成することが可能であり、且つ、例えば、ルームラップ配列に取り付けられ、取り付け後にはトリミングがなされる。前記ロッド１２６は、例えば、分離リーフ９０がスプロール８８周りに巻きつけられる前に、多孔質媒体１０４に溶剤結合されるのが好適である。或いは、ロッド１２６は、分離リーフ９０がスプール８８の周りに巻きつけられた後に該リーフに溶剤結合されるのが好適である。このように、ロッド１２６をロッド１２６を双方の隣接した多孔質媒体１０４に取り付けることが可能である。更に別の代替例として、ロッドを１つまたは双方の膜に接着剤で結合するかまたは溶接する。巻き付けた合成組立体は、高度の構造保全性を有しているが、ロッドを隣接したリーフ９０多孔質媒体に結合することで組立体の強度を上げると共にスラスト格子１００を省略することが出来る。
【００５７】
円筒状クロスフロー装置８０の例示した実施例は、透過水出口導管９８に連結した1つ以上の透過水通路１１２を有したスプール８８を含むが、その他の実施例は異なるように構成することが可能である。例えば、スプールに一切の透過性通路を設けないようにすることが可能であり、例えば、スプールを堅牢な構造体とするか、または、完全に排除してしまうことが可能である。螺旋上に巻きつけた別々のリーフまたは複数のリーフは、１つ以上のめくら内側ヘッダー及び各分離したリーフの透過水グリッドの透過水溝と流体連絡した１つ以上の透過水通路を有した１つ以上の外側ヘッダーとを含むことが可能である。各外側ヘッダーを円筒状シェルに直接連結することが可能であり、且つ、透過水流を外側ヘッダーからシェルを介して１組の外部透過水流／圧力制御装置まで供給するようにすることが可能である。或いは、前記流／圧力制御装置を各外側ヘッダー内でシェルと各外側ヘッダーとの間でシェル内にまたは透過水グリッド内に配置することが可能である。
【００５８】
合成構成の分離リーフを有したクロスフロー装置は高度の構造保全性を提供すると共に、矩形クロスフロー装置及び円筒状クロスフロー装置で使用することが可能である。例えば、図１５及び図１６に図示した本発明を具現化した矩形のクロスフローカートリッジ１３０、１３０'は、１重ねの分離リーフ１３２を含み、各々が図１０乃至図１２に図示した分離リーフ９０に類似している。分離リーフ１３２は、隣接したリーフ１３２のヘッダーがそれらの先端縁及び後端縁を整合させて、且つ、狭い矩形間隙１３４が隣接したリーフ１３２間にせん断領域１３６を含むようにして互いの上に載せられるように積み重ねられる。ヘッダー上にスタンドオフをまたはヘッダー間にシムを設けて給水間隙１３４を画成することが可能である。ロッドまたは多孔質媒体スタンドオフ等のスペーサをリーフ１３２間の給水間隙に設けた場合には、前記ヘッダースタンドオフまたはシムはスペーサと略同一の高さとすることが可能である。或いはまたは追加して、透過水グリッドを形成して、構造上の剛性を十分なものとしてスペーサの数を低減するか、または、排除して、多孔質膜及び透過水グリッド上の負荷を低減するようにすることが可能である。１重ねにされた分離リーフ１３２は任意の適当な方法で構造的に接合されるが、斯かる方法には、外部ハウジングまたはフレームによる方法、タイロッド、ボルトまたは延びたねじ等の構造部材による方法、熱または超音波溶接等の溶接による方法、及び／または接着剤または溶剤結合等の結合による方法が含まれる。
【００５９】
矩形クロスフローカートリッジ１３０、１３０'の透過水グリッド、多孔質膜及びヘッダーは円筒状のクロスフローカートリッジ８０について説明した透過水グリッド、多孔質膜及びヘッダーと略類似するようにすることが可能である。しかしながら、好適には、矩形クロスフローカートリッジ１３０、１３０'の透過水グリッドの双方の端のヘッダーは１つ以上の通路を有して透過水を透過水溝または溝のグループへ離れるように指向する。透過水流／圧力制御装置を、円筒状クロスフローカートリッジに関して前記に説明したものと類似の様々な方法で矩形クロスフローカートリッジ１３０、１３０'と作動関係にすることが可能である。
【００６０】
図１５及び図１６に例示した実施例では、各対向するヘッダーが１グループの透過水溝からの透過水流を結合して透過水チャネルを形成し、透過水チャネルを透過水流／圧力制御装置から上流で結合された１つまたは好適には２つ以上の透過水溝流として画成することが可能である。透過水チャネルは、互いに隔離されると共に独立しているのが好適である。例えば、図１７Ａ乃至図１７Ｄに図示する如く、矩形クロスフローカートリッジの各ヘッダー１３８は１つのスロット１４２内の４つの透過水溝１４０の透過水流を結合して１つのチャネル１４４を形成すると共に、各ヘッダー１３８は４つのチャネル１４４を有する。或いは、より多くのまたはより少ない透過水溝を１つのチャネル内に形成することも可能であり、及び、より多くのまたはより少ないチャネルを各ヘッダー内に配置するようにすることが可能である。更に、異なるチャネルを異なる数の透過水溝から形成することが可能であり、且つ、異なるヘッダーが異なる数のチャネルを有することが可能である。任意の１つのヘッダー１３８のチャネル１４４及び対応する透過水溝１４０は互いに隔離されると共に独立させるのが好適である。更に、分離リーフ１３２の一端のヘッダー１３８のチャネル１４４及び対応する透過水溝１４０は、分離リーフ１３２の対向端のヘッダー１３８のチャネル及び透過水溝から隔離されると共に独立させるのが好適である。或いは、対向するヘッダーの対応するチャネルを同一の透過水溝と連絡させることが可能である。図１７Ａ乃至１７Ｄに図示したヘッダー１３８等のヘッダーが矩形クロスフローカートリッジの文脈で説明される場合には、円筒状のクロスフローカートリッジ等の異なる形状を備えたクロスフローカートリッジにおいても使用することが可能である。
【００６１】
透過水流／圧力制御装置１４８はオリフィスまたは細管等の制流子を備えることが可能であり、図１７Ａ乃至１７Ｄに図示した如く、チャネルスロット１４２とチャネル出口との間の各ヘッダ１３８内に配置される。チャネル出口は共通透過水出口導管に平行に供給することが可能である。しかしながら、図１５及び図１６に例示の実施例では、分離リーフ１３２のチャネル１４４は、例えば、給水間隙１３４に沿ったチャネル１４４の部位に従って、チャネル番号１、チャネル番号２等に対応する、例えば、８つのグループにグループ化される。同じように位置したチャネル１４４は、前記１重ねの分離リーフ１３２の高さに沿って伸長することが可能な共通の透過水ダクト１５０へ供給される。透過水ダクト１５０は互いに隔離されるのが好適であり、例えば、全ての第１チャネル、第２チャネル等から透過水を収集する透過水ダクト１５０はその他の透過水ダクト１５０から隔離去れる。透過水は、図１５及び図１６に例示した如く、様々な方法で透過水ダクト１５０から取水される。別体の透過水ダクト１５０の１つの利点は、同じように位置したチャネル１４４から収集した透過水を独立して分析できることである。好適には、透過水ダクト１５０中の透過水流は１つの透過水出口導管の下流で結合される。
【００６２】
図１８に例示した実施例は、複数、例えば、２つの矩形のクロスフローカートリッジ１３０を備え、該カートリッジはそれぞれの透過水ダクト１５０と平行に接続される。或いは、該カートリッジは、透過水ダクトと直列にまたは様々な直列／平行配列に接続することが可能である。供給流体は、共通の圧力源から複数のカートリッジ１３０に平行に指向されるのが好適である。しかしながら、第１のカートリッジを流出する時で、給水流の下流の第２カートリッジに流入する前に供給流体の圧力を上げて、第１カートリッジ内の給水入口乃至濃縮水出口間の圧力を補償するようする。例えば、ポンプを給水流において前記第１及び第２カートリッジ間に位置決めすることが可能である。カートリッジの様々な直列及び／並列配置を矩形クロスフローカートリッジの文脈において議論しているが、これらの配置は異なる形状のカートリッジに設けることが可能であり、斯かる形状には、例えば、円筒形状が含まれる。
【００６３】
複数のカートリッジ１３０の各々はその他のカートリッジと略同一であるのが好適である。これにより、同一の透過水流／圧力（及びＴＭＰ）が様々なカートリッジ１３０の対応する透過水チャネル１３０に対応して発生され、カートリッジ１３０の対応するチャネルからバランスの取れた略等しい流が生じる。各矩形クロスフローカートリッジ１３０は、透過水流／圧力制御装置がカートリッジの外側に配置されることを除いて図１５に図示の矩形クロスフローカートリッジ１３０に類似させることが可能である。図１８の矩形クロスフローカートリッジ１３０のヘッダーは、制流子１４６が省略され、且つ、制流子として機能しない透過水通路１４０または透過水チャネルのグループがチャネルスロットからチャネル出口まで、従って、対応する透過水ダクト１５０まで伸長することを除いて、前記カートリッジ１３０が図１７Ａ乃至図１７Ｄに図示したものと類似なものとすることが可能である。透過水ダクト１５０は、第１矩形クロスフローカートリッジ１３０のｎ番目のチャネルから透過水を収集する透過水ダクト１５０が第２矩形クロスフローカートリッジ１３０のｎ番目のチャネルから透過水を収集する透過水ダクト１５０に平行に接続されるように配置するのが好適である。平行に配置された透過水ダクト１５０は、矩形クロスフローカートリッジ１３０の外側にある制御バルブ等の１組の透過水流／圧力制御装置１５２に供給されるのが好適である。透過水制御バルブ１５４は、例えば、制御スキッド上に取り付けることが可能であると共に、各制御バルブの出口は共通の透過水出口１５４へ平行に供給される。或いは、透過水流／圧力制御装置は、透過水ダクト、または前記に説明したその他の任意の部位の１つまたは双方のクロスフローカートリッジに取りつけられることが可能である。
【００６４】
矩形クロスフローカートリッジの各々は、供給流を円形断面配管から矩形カートリッジの給水入口まで移行すると共に、矩形カートリッジの濃縮水出口から円形断面の濃縮水配管まで濃縮水を移行するフレームまたはハウジング（図示なし）内に収容することが可能である。そらせ板（図示なし）をハウジング内に設けて、流体流を移行ゾーン内で分配することが可能である。ハウジング及び矩形クロスフローカートリッジ間の界面はシール（図示なし）を備えて形成されて、供給流体が給水間隙のせん断領域をバイパスせず且つ透過水から供給流体及び濃縮水を隔離するようにされる。スラスト格子（図示なし）を矩形クロスフローカートリッジの濃縮水出口側の分離リーフに対向するように位置決めすると共に、カートリッジ、より好適にはハウジングに接続することが可能である。
【００６５】
クロスフロー装置１７０の別の例を図１９乃至図２1に表す。この装置では、少なくとも１つのフィルタ要素1７２、好適には積み重ねた２つ以上のフィルタ要素がハウジング内に配置される。核フィルタ要素１７２は、少なくとも１つの多孔質媒体１７４、好適には２つの多孔質媒体１７４を有し、該媒体は透過水通路１７６に重なる。フィルタ要素１７２は、任意の適当な方法でハウジング内に配置することが可能であり、例えば、ハウジング内に、または、マニホールドを備えた自己収容積み重ね配置として配置されて、多孔質媒体１７４と作動関係にあるせん断領域１８０を有した狭い間隙１７８を含む給水チャネルを画成する。斯かる間隙１７８は、約０．０３ｍｍ以下ないし１．３０ｍｍ以上の範囲の高さを有するのが好適である。前記間隙は、空隙であっても良く、または、供給流体を流通可能なメッシュまたは波形材料等の任意の多孔質材料またはチャネル材料から成ることが可能である。例示の実施例では、給水チャネルは、中央給水入口１７９と周辺濃縮水出口との間に伸長し、供給流体は積み重ねたフィルタ要素１７２を内側から外側へ向かって流通するように指向される。内側から外側に向かった流は、フィルタ要素が給水入口と濃縮水出口間の差圧を散逸させるのに特に好適である。或いは、供給流体を前記積み重ねたフィルタ要素を介して外側から内側へ向かって指向することも可能である。本発明の別の態様によれば、フィルタ要素１７２は、せん断領域１８０と作動関係にある透過水通路１７６をたった１つ含み、該透過水通路１７６は、給水流の方向の幅が約４０ｍｍにされる。該幅を４０ｍｍに制限することで透過水通路内での透過水流／圧力の制御が容易になる。従って、透過水流／圧力制御装置は省略することが可能である。透過水通路は空隙とすることも、または、多孔質またはチャネル材料から成るようにすることも可能である。透過水通路は空隙とすることも、または、透過水が流通する透過質材料とすることも可能である。フィルタ要素１７２からの透過水は共通の透過水マニホールド１８２に供給すると共に、透過水出口１８４へ指向することが可能である。透過水マニホールドは、フィルタ要素に沿った任意の部位に配置することが可能であると共に、任意の適当な方向へ伸長して透過水通路から透過水を収集すると共に、透過水出口へ指向することが可能である。
【００６６】
上記の例示の実施例では、各フィルタ要素１７２は、中空で、全体押して円形の形状を備える。しかしながら、フィルタ要素は、任意の適当な形状を有することが可能であり、斯かる形状には、例えば、中空で矩形、例えば、方形の形状、または、三角形の形状、または楕円形の形状またはその他の任意の閉鎖形状が含まれる。或いは、フィルタ要素は、既に説明した分離リーフの形状の如き非多角形の形状を有することも可能である。更に、別の代替例として、供給流体は、１つの平らなフィルタ要素に隣接した間隙にそって指向され、中央で供給されるのが好適である。しかしながら、中空の円形を含んだ中空の多角形の形状が、供給流体が、複数の次元に、例えば、ｘ及びｙカルテシアン（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）次元の双方に流通することが可能となることから好適である。これにより、クロスフロー装置１７０に作用する力のバランスがより良くなると共に、ハウジングを軽量で構造的に複雑でない物とすることが可能となる。全体として、繰り返しパターンの任意の多次元形状を使用することが可能となる。
【００６７】
更に、フィルタ要素１７２は、様々に作製することが可能である。例えば、例示の実施例では、多孔質媒体１７４を支持プレート１８６上に支持することが可能である。支持プレート１８６は、上記に説明した透過水グリッドに類似の方法で、プロフィールされた先端縁１８８、プロフィールされた後端縁１９０及び該先端縁及び後端縁１８８、１９０間に伸長した複数のリブ１９２を含んで作製することが可能である。リブ１９２は、開口部１９４を含んで、透過水が透過水通路１７６内で透過水マニホールド１８２に連結した半径方向に伸長した透過水ダクト１９６まで流れるのを可能にする。各支持プレートは、２つ以上の透過水ダクトを含むことが可能であり、透過水マニホールドは、好適には対称的に積み重ねたフィルタ要素に取り付けられた対応する数の軸線方向の導管を含むことが可能である。該マニホールド導管は、次いで、透過水出口に透過したドレインのみならず積み重ねたフィルタ要素を構造的に支持することが可能である。
【００６８】
例示の実施例の透過水通路１７６の幅は、約４０ｍｍ未満であり、好適には２０ｍｍ未満、約１５ｍｍ未満、約１０ｍｍ未満、約５ｍｍ未満、または、約１ｍｍ以下でさえも良い。幅を制限することで透過水流／圧力の制御が容易になると共に、バルブ、細管またはオリフィス等の透過水制御装置の必要性を排除することができる。しかしながら、クロスフロー装置、例えば、透過水ダクトまたは透過水導管等に透過水制御装置を配置するようにすることも可能である。
【００６９】
透過水通路１７６上に載る多孔質媒体１７４は、多孔質膜支持のみならず多孔質膜を含んだ上記に説明した多孔質媒体の任意のものを含むことが可能である。例示した実施例は、多孔質膜及び多孔質膜支持の双方を含むが、実施例によっては、前記透過質膜支持を省略することが可能である。更に、多孔質媒体１７４を上記に説明した如く、溶剤結合方法を含んだ方法で支持プレート１８６へ結合することが可能である。
【００７０】
本発明の本態様を具現化したクロスフロー装置は、給水入口と濃縮水出口との差圧が低くとも、非常に高いせん断速度、簡単且つ効果的透過水制御及び供給流体の循環が殆どまたはまったく無くとも効果的な分離を提供する。更に、構造が複雑にならない。更に、２つ以上のクロスフロー装置を直列、平行、または、様々な直列／平行配列に接続することが可能である。更に、これらの配列は、作動中に修正することが可能であり、例えば、始動時にはスターリングフローを防止するように、または長時間作動させた後では、差圧増加に対応するように修正することが可能である。
【００７１】
本発明の様々な態様を多数の実施例を参照して説明してきた。しかしながら、本発明は、それらの実施例に限定されるものではない。例えば、前記実施例のいずれかの特徴の１つ以上を他の実施例の特徴の１つ以上とを本発明の範囲を逸脱することなく結合することが可能である。更に、前記実施例のいずれかの特徴の１つ以上を本発明の範囲を逸脱することなく修正または省略することが可能である。因って、本発明の様々な態様は、冒頭の特許請求の範囲に規定される如く、本発明の趣旨及び範囲内に含まれる全ての修正を含む。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】クロスフロー装置の略図である。
【図２】図１のクロスフロー装置の断面図である。
【図３】別のクロスフロー装置の断面図である。
【図４】図３のクロスフロー装置の一部拡大図である。
【図５】流束対時間のグラフである。
【図６】圧力対時間のグラフである。
【図７】別のクロスフロー装置の一部破断図である。
【図８】図７のクロスフロー装置の断面図である。
【図９】分離リーフをスプールの周りに巻きつける前の図７のクロスフロー装置の分離パックの端面図である。
【図１０】図７のクロスフロー装置の分離リーフの斜視図である。
【図１１】図１０の分離リーフの外側部分の一部断面斜視図である。
【図１２】図１０の分離リーフの内側部分の一部断面斜視図である。
【図１３】図１２の分離リーフの内側部分の一部断面斜視図であり、分解した透過水グリッド及び内側ヘッダーを示す。
【図１４】図１４Ａ乃至Ｄは、多孔質媒体間のスペーサを図示した部分正面図である。
【図１５】追加のクロスフロー装置の斜視図である。
【図１６】追加のクロスフロー装置の斜視図である。
【図１７】図１７Ａ乃至１７Ｄは、それぞれ、組み付けられた状態と分解された状態における、図１５及び図１６のクロスフロー装置の分離リーフの端部を示す部分斜視図である。
【図１８】クロスフロー装置の組立体の斜視図である。
【図１９】別のクロスフロー装置の概略図である。
【図２０】図１９のクロスフロー装置の積み重ねたフィルタ要素の頂面図である。
【図２１】図２０の積み重ねたフィルタ要素の一部断面図である。
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【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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【外国語明細書】
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