(57)【要約】【課題】  大スケール、あるいは、より生産速度を高めた運転が行うことが可能なメンブレンバイオリアター装置およびそのための膜エレメントや発酵槽を提供すること。【解決手段】  ２枚の膜間に外枠および／または流路材および／または支持板を有した平膜エレメントであって、外枠、支持板、流路材の少なくともいずれかに温度調節部を設けたことを特徴とする平膜エレメント。また、その平膜エレメントを槽内に浸漬収容した発酵槽。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の膜間に外枠および／または流路材および／または支持板を有した平膜エレメントであって、外枠、支持板、流路材の少なくともいずれかに温度調節部を設けたことを特徴とする平膜エレメント。
【請求項２】
温度調節部が、ペルチェ素子である請求項１記載の平膜エレメント。
【請求項３】
温度調節部が、ヒーターである請求項１記載の平膜エレメント。
【請求項４】
温度調節部が、ろ過対象原水と物理的に隔てられた加熱または冷却用の熱媒体の流路を具備した構造である請求項１記載の平膜エレメント。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の平膜エレメントを槽内に浸漬収容したことを特徴とする発酵槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平膜エレメントおよびそれを用いた発酵槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
発酵生産の速度を飛躍的に向上させることが可能な技術として、連続発酵法において、微生物や培養細胞などの細胞を分離膜でろ過し、膜透過液から生産物を回収すると同時にろ過された細胞を培養液に保持または還流させ、培養液中の細胞濃度を高濃度化させ運転を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１）。これらメンブレンバイオリアクターには、膜分離部を発酵槽外に設け液を循環させろ過を行う方式（外部循環方式）と、膜を発酵槽内に浸漬し単一槽でろ過を行う方式（浸漬方式）とがある。従来、小スケールかつ高価な有価物の生産を行う際は、専ら外部循環方式が採用されてきたが、バイオリファイナリーにおける汎用的な化成品の生産を視野にいれた場合、生産コストを低く抑える必要が高くなり、この場合、設備が簡素化・小型化でき、また、液循環ポンプの動力も不要で運転コストが低減可能な浸漬方式が有利となる。特に発酵槽などの生産設備はサニタリー仕様のため極めて高価であり、生産コストに占める償却費の割合も大きいため、浸漬方式が有利となる。廃水処理における膜分離活性汚泥法においても、浸漬方式は、外部循環方式に比べ、低コストな処理法として広く採用されている。
【０００３】
しかるに、浸漬方式のメンブレンバイオリアクターを用いた発酵生産を、反応速度の高速化やスケールアップによって更に効率的なものにしようとすると、発酵槽への膜エレメントの充填率と発酵熱を除去するための冷却コイルの充填率とを同時に向上させる必要が生じるため、限界にぶつかる。すなわち、冷却コイルを発酵槽内に浸漬すると、膜エレメントと設置スペースが競合して収容不可能になる。発酵槽の外周に熱交換用の冷却ジャケットを設ける方式もあるが、面積あたりの熱交換を極端に高く行う必要が生じ、経済性が損なわれることにつながる。これに限らず、他の用途においても同様の課題が生じる場合があり、その解決が望まれていた。例えば、濃厚廃水を膜分離活性汚泥法によって処理する場合、曝気だけでは冷却効果が低く、省スペース化に限界があった。
【特許文献１】特公平６−６９３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、メンブレンバイオリアクターを用いた発酵生産を大スケールで行うこと、あるいは、より高効率で行うことは依然として困難であり、発酵生産用の大型のメンブレンバイオリアクターは見当たらない。特に汎用的なポリマー原料や工業中間体などの化成品の大量生産に適した、バイオリファイナリーで好適に用いることのできるメンブレンバイオリアクターは見当たらない。本発明の目的は、メンブレンバイオリアクターを用いた発酵生産における上記課題を解決し、より大スケール、あるいは、より生産速度を高めた運転が行え、そのため、有価物の製造コストを低減することが可能なメンブレンバイオリアター装置、および、そのための膜エレメントや発酵槽を提供することにある。また、濃厚廃水を膜分離活性汚泥法によって処理する場合、より処理速度を高めた省スペース化が可能なメンブレンバイオリアター装置、および、そのための膜エレメントや曝気槽を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
【０００６】
２枚の膜間に外枠および／または流路材および／または支持板を有した平膜エレメントであって、外枠、支持板、流路材の少なくともいずれかに温度調節部を設けたことを特徴とする平膜エレメント。また、当該平膜エレメントを槽内に浸漬収容した発酵槽。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、膜分離の為のスペース（膜エレメント）と熱交換の為のスペース（冷却コイル等）を共有化すれば、スペースの有効利用ができ、以下のメリットが得られる。まず、大型のメンブレンバイオリアクターの運転が可能となる。これによりスケールメリットにより汎用的な化成品を発酵法で大量生産する際の生産コストを低減することが可能となる。次に、メンブレンバイオリアクターの運転を高効率で、すなわち、よりコンパクトな発酵槽を用いて行うことができる。発酵槽は極めて高額であり、発酵槽のコンパクト化は、設備費や償却費の大幅な低減につながる。
【０００８】
また、分離膜には、一般に多孔性分離膜が用いられるが、該膜の目詰りによるろ過流量やろ過効率の低下があり、その抑制策の一つとして、強いクロスフロー水流を膜面に発生させる必要がある。他方で、熱の移動も、表面の媒体の流れが速いほど熱伝達係数が増加し、促進される。従って、膜エレメントと熱交換機能が一体化した本発明のエレメントを用いれば、膜面の物理洗浄用の水流エネルギーを、熱交換機の熱伝達効率向上にも同時利用でき、省エネルギー化が可能となる。更に、発酵槽の撹拌により生じる流れを有効利用すれば、動力をいっそう削減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１と図２を用いて本発明における平膜エレメントを説明する。平膜エレメントは２枚の平膜３の間に透過液流路材２および凹部９を有した支持板１を有し、平膜３の周縁部をろ過対象原水側と透過液側を液体が行き来できぬよう封止されている。周縁部の封止方法は、接着剤、熱融着、超音波溶着によって行うこともできるが、エレメント部材のリサイクルの観点からは、外枠５と支持板１とで平膜３を挟み込む方法が好ましく、図１にはこの場合が示されている。
【００１０】
外枠５と支持板１とで平膜３を挟み込む場合、外枠５はエレメントの周縁部を押さえることが可能な形であればよく、平膜３を外枠５と支持板１との間に配し、外枠５と支持板１とをネジやクリップで固定することで周縁部を封止する。この時、原液と透過液とが行き来しないよう、弾性のあるシート状の部材（弾性材４）を平膜３と外枠５の間に挟むことが好ましく採用できる。弾性材４としては樹脂製のシートが好ましい。
【００１１】
ここで、本発明では、外枠５、支持板１、透過液流路材２の少なくともいずれかの箇所に、温度調節部を設ける。温度調節部とは、ろ過対象原水と温度差のある部位を連続的または間欠的に発生可能な構造を有するものであれば、特に限定されるものではなく、ペルチェ素子、ヒーターや、ろ過対象原水と物理的に隔てられた加熱または冷却用の熱媒体の流路を具備した構造を例示することができる。
【００１２】
本発明の平膜エレメントはメンブレンバイオリアター装置に用いられることが好ましい。発酵法における発酵槽や、活性汚泥法における曝気槽に用いられることが好ましいが、中でも発酵槽に用いられることが、上述の通り好ましい。  平膜エレメントで温度調節部を設ける箇所は、外枠５、支持板１、透過液流路材２の少なくともいずれかであれば特に限定されないが、ろ過対象原水との熱交換を効率的に行うには、外枠５、あるいは支持板１が好ましい。外枠５、支持板１、透過液流路材２の材質は、熱伝達性が高く、発酵液に対する耐腐食性を有し、また、加熱滅菌可能なものであれば、いずれでもよい。好適な材質としてステンレスを挙げることができる。また、流れの妨げにならない範囲であれば、平膜エレメントの外周に温度調節部を設けてもよい。図１には、熱媒体の流路を具備した支持板１を用いた場合が例示されており、集水口横には、支持板１に、冷却用の熱媒体供給口６および熱媒体回収口７が設けられている。
【００１３】
本発明において分離膜として用いられる多孔性膜は、目詰まりが起こりにくく、かつ、ろ過性能が長期間安定に継続する性能を有するものであることが望ましく、平均細孔径は、０.０１μｍ以上１μｍ未満であることが好ましい。分離膜の平均細孔径が上記の範囲内にあると、細胞などがリークすることのない高い排除率と、高い透水性を両立させることができ、さらに目詰まりをしにくく、透水性を長時間保持することが、より高い精度と再現性を持って実施することができる。後述する発酵槽に用いる場合においては、細菌類を分離対象とするので、多孔性膜の平均細孔径は好ましくは０.４μｍ以下であり、平均細孔径は０.２μｍ未満であればなお好適に実施することが可能である。平均細孔径は、小さすぎると透水量が低下することがあるので、本発明では、平均細孔径は０.０１μｍ以上であり、好ましくは０．０２μｍ以上であり、さらに好ましくは０．０４μｍ以上である。
【００１４】
また、膜の液透過性も重要点の一つであり、透過性の指標として、使用前の多孔性膜の純水透過係数を用いることができる。本発明において、多孔性膜の純水透過係数は、逆浸透膜による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで透水量を測定し算出したとき、２×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以上であることが好ましく、２×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以上６×１０−７ｍ３／ｍ２／ｓ／ｐａ以下であれば、実用的に十分な透過水量が得られる。
【００１５】
膜の素材としては、酢酸セルロース、ポリアミド、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、硝酸セルロース、再生セルロース、ポリアクリルニトリル、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化エチレン、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエステルなどの有機系素材やセラミックなど無機系素材が挙げられるが、
後述する発酵槽に用いる場合は、この中から、運転開始時の滅菌や殺菌条件、温度、ｐＨなどの培養条件、ｐＨ調整液として使用する薬液のｐＨの特性を考慮し、運転に際し、物理的強度、耐熱性、化学的耐久性の条件を満足するものを適宜選定し、使用すればよい。
【００１６】
本発明の平膜エレメントは発酵槽に浸漬収容して用いられることが好ましい。ここで、発酵とは、生物反応を利用し、有用物質生産や菌体生産を行う技術であり、発酵槽とは、蒸気殺菌が行え、厳しい無菌状態を長期間維持可能な構造を有する発酵生産に用いられる槽のことであり、一般的には、ガラスやステンレス材からなるタンクに、撹拌機、温度制御装置、ｐＨコントロール装置、サンプリング口などが設けられ、必要に応じ、無菌空気を供給するエアスパージャーが具備された構成を有している。
【００１７】
図３に、温度調節部を備えた平膜エレメントを槽内に浸漬収容した発酵槽の概念図を示すが、平膜エレメントの配置等は、この図により限定されるものではない。  培地供給ライン１３から培地が供給される発酵槽１０の中央部に、複数の平膜エレメント１２が一定の間隔で垂直に配され、下部に設置した撹拌装置１１により水流を平膜エレメント１２間に吹き付ける構造となっている。この水流は、発酵槽１０の液混合、膜面の物理洗浄、平膜エレメント１２の温度調節と発酵液間の熱輸送促進の３つを兼ねる。各平膜エレメント１２の集水口はホースで接続され、膜透過液集水ライン１５を介して発酵槽外部と無菌的に接続されている。また、平膜エレメント１２の膜透過液集水ライン１５、冷却用の熱媒体供給ライン１４、および熱媒体回収ライン１６が接続されている。熱媒体は発酵槽１０外の冷却装置との間で循環される。サンプリングライン１７や、発酵液排出ライン１８が備えられている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の平膜エレメントの構造例を示す。
【図２】本発明の平膜エレメントの断面図を示す。
【図３】本発明の発酵槽の概念図を示す。
【符号の説明】
【００１９】
１：支持板
２：透過液流路材
３：平膜
４：弾性材
５：外枠
６：熱媒体供給口
７：熱媒体回収口
８：透過液
９：凹部
１０：発酵槽
１１：撹拌装置
１２：平膜エレメント
１３：培地供給ライン
１４：熱媒体供給ライン
１５：膜透過液集水ライン
１６：熱媒体回収ライン
１７：サンプリングライン
１８：発酵液排出ライン
【図１】
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【図２】
2008207150.tif 000004
【図３】
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