(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の分離粒径以下の粒径を持つ物質及び所定の分離粒径以上の粒径を持つ物質の濃縮又は分離を行うためのプロセス流体処理方法において、
透過性の膜を通る透過流を発生する工程であって、透過抗力を発生する工程を含む工程と、
透過性の膜に亘ってプロセス流体の乱流を発生する工程であって、前記透過性の膜の表面に１００００／秒以上の剪断速度を有する剪断流を発生して剪断揚力を発生する工程を含む工程と、
所定の分離粒径以上の粒径を持つ物質が前記透過性の膜を通過しないようにし、所定の分離粒径以下の粒径を持つ物質が前記透過性の膜を通過できるように、前記透過抗力と前記剪断揚力との均衡をとる工程と、
を有することを特徴とする、プロセス流体処理方法。
【請求項２】
前記透過性の膜を通る前記透過流を発生する前記工程は、孔径即ち分子量カットオフ粒径が前記分離粒径よりも大きい透過性の膜を通る透過流を発生する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記透過抗力と前記剪断揚力との均衡をとる工程が、前記透過流及び剪断流のうちの一方を調整する工程を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記剪断流を発生する工程は、前記透過性の膜の上流面と隣接して粘性底層を形成する工程を含む、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記剪断流を発生する工程は、前記粘性底層の厚さよりも小さな粒子が前記透過性の膜を通過しないようにする揚力を発生する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記膜の表面粗さは、前記粘性底層の厚さと比較して小さい、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記剪断流を発生する工程は、透過性の膜の表面に亘ってプロセス流体を流すことを含む、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記剪断流を発生する工程は、前記透過性の膜と前記プロセス流体とを相対的に回転させることを含む、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記分離粒径が１５０ｋＤ以下である、請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記剪断流を発生する工程は、定置の分離エレメントの透過性の膜の上流面に沿ってプロセス流体を移動させる工程を含む、請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
所定の分離粒径以下の粒径を持つ物質及び所定の分離粒径以上の粒径を持つ物質の濃度又は分離を行うためのプロセス流体を処理する剪断分離システムにおいて、
ハウジングと、
プロセス流体を前記ハウジング内に差し向けるように構成されたプロセス流体入口と、
透過物を前記ハウジングから差し向けるように構成された透過物出口と、
前記透過物出口と連通した下流面を持つ透過性の膜を含み、前記透過性の膜を通る透過流を発生して前記透過性の膜の上流面で透過抗力を発生する、前記ハウジング内に配置された少なくとも一つの分離エレメントと、を備え、
前記分離エレメント及び前記プロセス流体は、前記透過性の膜に隣接してプロセス流体の乱流を生じ、１００００／秒以上の剪断速度を有する剪断流を発生し、剪断揚力を前記プロセス流体中に発生し、前記透過抗力の均衡をとり、前記所定の分離粒径以上の粒径を持つ物質が前記透過性の膜を通過しないようにし、前記所定の分離粒径以下の粒径を持つ物質が前記透過性の膜を通過できるように構成されている、
ことを特徴とする、前記剪断分離システム。
【請求項１２】
更に、前記剪断揚力及び前記透過抗力のうちの少なくとも一方を調節し前記所定の分離粒径を制御する制御装置を備える、請求項１１に記載の剪断分離システム。
【請求項１３】
前記プロセス流体の乱流を生じるように構成されている前記分離エレメント及び前記プロセス流体が、互いに対して回転するように構成されている、請求項１１又は１２に記載の剪断分離システム。
【請求項１４】
前記分離エレメントが定置されている、請求項１１又は１３に記載の剪断分離システム。
【請求項１５】
前記透過性の膜が、所定の分離粒径よりも大きい孔径即ち分子量カットオフ粒径を有する、請求項１１〜１４のうちのいずれか一項に記載の剪断分離システム。
【請求項１６】
剪断分離方法において、
平滑な透過性の膜を通る透過流を発生する工程であって、透過抗力を発生する工程を含む工程と、
前記平滑な透過性の膜に亘ってプロセス流体の乱流を発生する工程であって、前記透過性の膜の上流面と隣接した粘性底層を持つ剪断流境界層を形成し、１００００／秒以上の剪断速度を発生し、剪断揚力を発生する工程を含む工程と、
前記粘性底層の厚さよりも小さな粒子が前記透過性の膜を通過しないように、前記透過抗力と前記剪断揚力との均衡をとる工程と、
を有することを特徴とする、剪断分離方法。
【請求項１７】
前記平滑な透過性の膜を通る透過流を発生する工程が、前記粘性底層の厚さよりも大きな孔径即ち分子量カットオフ粒径を有する平滑な透過性の膜を通る透過流を発生する工程を含む、請求項１６に記載の剪断分離方法。
【請求項１８】
前記剪断流境界層を形成する工程が、前記透過性の膜の上流面に亘ってプロセス流体を流す工程を含む、請求項１６又は１７に記載の剪断分離方法。
【請求項１９】
前記剪断流境界層を形成する工程が、前記透過性の膜及び前記プロセス流体を相対的に回転させる工程を含む、請求項１６又は１７に記載の剪断分離方法。
【請求項２０】
前記平滑な透過性の膜に亘ってプロセス流体の乱流を発生する工程が、定置の分離エレメントの透過性の膜の上流面に沿ってプロセス流体を移動させる工程を含む、請求項１６〜１９のうちのいずれか一項に記載の剪断分離方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、剪断分離方法及びシステムに関し、更に詳細には、マイクロ濾過、限外濾過、透析濾過、又は濃縮を行うことができる剪断分離方法及びシステムに関する。
発明の背景
分離方法及びシステム、例えばフィルタを使用する分離方法及びシステムは、代表的には、流体の一つ又はそれ以上の成分又は物質を流体中の他の成分又は物質から分離するのに使用される。本明細書中で使用されているように、「流体」という用語は、液体、気体、及び液体、気体及び／又は個体の混合物及び組み合わせを含む。従来の分離プロセスには、分級又は粒子濾過、マイクロ濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透（ハイパー濾過）、透析、電気透析、プレベーパレイション（prevaporation）、水分離（water splitting）、篩分け、親和分離、純化、親和純化、親和収着、クロマトグラフィー、ゲル濾過、細菌学的濾過、及び凝集等の様々な一般的なプロセスが含まれる。代表的な分離装置及びシステムには、デッドエンドフィルタ、クロスフローフィルタ、ダイナミックフィルタ、振動分離システム、使い捨てフィルタ、逆洗可能なフィルタ、ブローバック浄化可能なフィルタ、及び溶剤浄化可能なフィルタを含む再生可能なフィルタ、及び上述の様々な装置の異なる特徴を持つハイブリッドフィルタが含まれる。
従って、本明細書中で使用されているように、「分離」という用語は、流体の一つ又はそれ以上の成分を流体の他の成分から分離する、濾過を含む全てのプロセスを含むものと理解されるべきである。「フィルタ」、「分離媒体」、及び「透過性の膜」という用語は、流体中の一つ又はそれ以上の物質を流体の他の成分から分離するためにこれらの物質を通過させることができる任意の材料から製作された任意の媒体を含むものと理解されるべきである。分離を受ける流体中の様々な物質及びこれらのプロセスの製品の定義に使用される用語は、用途、例えば液体又は気体の濾過、に応じて、及び使用された分離システムの種類、例えばデッドエンドシステム又は開放端システム、に応じて大幅に変化するが、明瞭化を図るため、以下の用語を使用する。分離システムに投入される流体をプロセス流体と呼び、分離を受ける全ての流体を含むものと解釈される。分離媒体を通過する流体の部分を透過物と呼び、濾液並びに他の用語を含むものと解釈される。分離媒体を通過しない流体の部分を残留物と呼び、濃縮物、ブリード流体、並びに他の用語を含むものと解釈される。
多くの分離の用途は極めて日常的であるが、比較的小さな粒子又は物質を流体から分離するには、汚損（例えば小粒子による目詰まり）を最小にしながら分離粒径（分離能）を正確にできる分離プロトコルが必要とされる。このことは、蛋白質（天然蛋白質又は組み換え蛋白質）及び他の成分を、乳汁や乳汁から得られた製品（例えば脱脂乳、乳清、等）等のプロセス流体から分離する場合に特にいえる。
乳汁は、とりわけ、脂肪、蛋白質（カゼイン、及びβ−ラクトグロブリン、α−ラクトアルブミン、血清アルブミン、及び免疫グロブリン等の様々な他の蛋白質）、塩類、糖質（ラクトース）、及び様々なビタミン（ビタミンＡ、ビタミンＣ、及びビタミンＤ、並びにビタミンＢ群）、及びミネラル（主にカルシウム及び燐）を含む。乳汁の組成は、品種、飼育方法、餌、及び乳汁を得る動物の体調に従って変化する。更に、様々な乳汁又は乳清蛋白質が機能的成分及び滋養成分としてパン屋の製品、パスタ、菓子、飲料、食肉、及び他の食品で使用される。更に、乳汁は、生物学的に又は医学的に重要な製品の貴重な供給源であることがわかっている。例えば、乳汁を生産する動物にワクチンを接種し、これらの動物の乳汁から抗体を集めることよって抗体を得ることができる（例えば、米国特許第５，２６０，０５７号（コークル等）及び米国特許第３，１２８，２３０号（ハインバッハ等）を参照されたい）。更に、多くの種の動物に遺伝学的操作を施し、乳汁中に組み換え蛋白質を出させる。例えば、１９８７年のバイオテクノロジー５（１１）のゴードン等の第１１８３頁乃至第１１８７頁（鼠）、１９９４年のバイオテクノロジー誌の１２（７）のエバート等の第６９９頁乃至第７０２頁（山羊）、１９９４年の制御放出誌２９（３）のリー等の第２１３頁乃至第２２１頁（乳牛）、１９９５年のバイオテクノロジー誌の４０（１）のリモンタ等の第４９頁乃至第５８頁（兎）、１９８９年のバイオテクノロジー誌の７（５）のクラーク等の第４８７頁乃至第４９２頁（羊）を参照されたい。このような組み換え蛋白質の例は、ペプチドホルモン（例えば成長ホルモン（アーチャー等のProc. Nat. Acad. Sci. USA, 91(15), 6840-44(1994)）、組織プラスミノーゲン活性化因子（ｔｐＡ）（エバート等）、等）、血液凝固因子又はこれらの因子のサブユニット（第８因子及び第９因子（クラーク等））抗血液凝固因子又はこれらの因子のサブユニット（例えば抗トロンビンＩＩＩ及びヒト蛋白質Ｃ）、他の血液蛋白質（例えば血清アルブミン（バラシュ等のMol. Repro. Dev., 45(4), 421-30(1996)）、ベータ−グロブリン、α１−抗トリプシン（アーキバルド等のProc. Nat. Acad. Sci. USA, 87(13), 5178-82(1990)）、食品用蛋白質、酵素、及び他の蛋白質（例えば、コラーゲン、嚢胞性線維形成経膜コンダクタンス調節体（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator：CFTR）、抗体、等）である。例えば、米国特許第４，８７３，３１６号（メアデ等）、米国特許第５，５８９，６０４号（ドローハン等）、及び米国特許第５，４７６，９９５号（クラーク等）を参照されたい。遺伝子組み換え（transgenic）動物の乳汁中に組み換え蛋白質を分泌させることが、このような蛋白質を製造する効率的な方法である。１０ｇ／ｌに近い濃度が報告されている。
商業的に生産された乳汁には、一般的に、細菌の繁殖を抑制するため、低温殺菌が加えられ、脂肪の分散の安定性を改善するために均質化が加えられる。更に、乳汁製品の商業的処理では、特定の場合において、乳製品から脂肪分をできるだけ除去するのが望ましい。
従来の乳汁処理には、機械的分離（遠心分離）、蒸発／結晶化、蒸気注入、電気透析、逆浸透、限外濾過、ゲル濾過、透析濾過、及び／又はイオン交換クロマトグラフィーの使用が含まれる。例えば、乳清に、代表的には機械的分離（例えば遠心分離）を加え、蒸発によって凝縮された脂肪分を除去し、固形分を高め、次いで噴霧乾燥するか或いはラクトースの結晶化に使用する。スラッジを除去した後、残留濃縮物を乾燥し、蛋白質（この蛋白質は、通常は、特に蒸発／凝縮工程中に変性されている）を約１１％乃至１４％含む乳清粉体を生産する。乳清粉体に電気透析を加えて鉱物質（ash）を除去し、これによってミネラル除去した乳清粉体を形成することができる。別の態様では、乳清粉体に逆浸透を加えて水分を除去することによって、蛋白質を１２％乃至１５％含む乳清粉体を得ることができる。このような乳清粉体に限外濾過又はゲル濾過を加え、鉱物質及びラクトースを更に除去し、これによって、蛋白質を約３０％乃至５０％含む乳清蛋白質濃縮物を得ることができ、次いでこの濃縮物に透析濾過又はイオン交換クロマトグラフィーを加え、更に多くの鉱物質及びラクトースを除去し、蛋白質を約５０％乃至９０％含む乳清蛋白質濃縮物を得ることができる。
このような従来の処理方法には、処理時間が長いこと、費用がかかること、及び成分の分別がうまくいかない、即ち一貫しないこと等の多くの欠点がある。更に、蛋白質を変性させたり損傷したりすることなく、組み換え蛋白質を乳汁等の流体からこれらの方法によって分離するのは困難である。更に、乳汁又は他の流体中の様々な蛋白質及び問題の粒子を分離することは困難である。こうした問題点の多くは、流体から比較的小さな粒子を分離することと付随した上述の問題点、特に分離能が低いこと及びフィルタの汚損が生じることに帰すことができる。
フィルタの汚損を大幅に減少する一つの発展は、フィルタの表面に剪断層を形成する分離方法及びシステムを使用することである。フィルタの表面と隣接した一つの流体層は、フィルタの表面と平行な急速な剪断流状態にあり、プロセス流体中の汚染物をフィルタから掃くように除去することによってフィルタの汚損を最小にする。一般的には、剪断層を発生するため、クロスフロー濾過技術及びダイナミック濾過技術の二つのこのような技術を使用できる。クロスフローシステムでは、フィルタ表面、恐らくはフィルタハウジングの内面によって境界付けられた通路に大容積の流体を通すことによって、必要な剪断を発生する。簡単に述べると、境界層を破壊し且つ逆混合するのに十分高い速度で、プロセス流体をフィルタの上流面に亘って圧送するのである。ダイナミック濾過システムでは、剪断を発生する目的で提供できる一つ又はそれ以上の表面（例えば、フィルタ表面、フィルタ容器、又は任意の包含されたディスク、インペラー、等）を移動することによって、必要な剪断を発生する。二つの広範に使用されている形体は、シリンダ装置及びディスク装置である。クロスフロー濾過システムと異なり、ダイナミック濾過システムが流体の界面のところに発生する剪断は、任意のクロスフロー流体速度と実質的に又はほぼ無関係である。従来のクロスフロー濾過システムは、一般的には、約５０００／秒乃至約１００００／秒の剪断を発生するが、ダイナミック濾過システムが発生する剪断は、約１０００００／秒乃至約５０００００／秒である。
ダイナミック濾過システム及び従来のクロスフロー濾過システムは、汚損を減少できるけれども、問題の粒子の粒径又は分子量カットオフ（molecular weight cutoff）は、分離媒体によって制御される。両システムにおいて、実際の分離作用即ち濾過作用は、分離媒体によって行われ、分離媒体の細孔の大きさは、問題の粒子を除去し即ち分離するように定められている。細孔よりも大きな粒子は分離媒体を通過できないが、細孔よりも小さな粒子は媒体を容易に通過する。プロセス流体の汚損性、及び所定の均等な孔径を持つ濾材を製造する上で固有の困難性のため、ダイナミック濾過システム及びクロスフロー濾過システムを使用して比較的小さな粒子（例えば分子量粒子）を高い分離能で分離することは極めて困難であった。
これらの欠点を解決するため、汚損性が高い溶液又は懸濁液であってもこうした溶液又は懸濁液から小さな物質を分離するための改良された手段が必要とされている。詳細には、所与の分子量の粒子（例えば、特定の蛋白質）を効果的に濃縮することによって、このような溶液又は懸濁液の分別を行うための手段が必要とされている。本発明は、様々な流体（例えば、溶液、懸濁液、乳濁液）、特に乳製品から小さな粒子又は物質（例えば、分子の大きさの粒子）を分離するための信頼性があり且つ効率的な手段を提供する。
発明の概要
本発明は、プロセス流体を処理し、所定の分離粒径以下の粒径を持つ物質を分離粒径以上の粒径を持つ物質から分離する、剪断分離システム及びその方法を提供する。透過性の膜を通って流れる透過流が、透過性の膜の上流の物質に作用する抗力を発生し、透過性の膜の上流の物質に作用する揚力を発生する剪断速度を透過性の膜の表面に発生する。抗力と揚力との均衡が所定の分離粒径に影響し、この力の均衡は、分離粒径以上の粒径を持つ物質の経膜通過を妨げ、分離粒径以下の粒径を持つ物質が透過性の膜を通過できるようにする。本発明を具体化した剪断分離システム及びその方法は、所定の分離粒径よりも大きいか或いは小さい物質を残留物又は透過物から収集することによって、このような物質をプロセス流体から分離又は濃縮するのに使用できる。
本発明は、蛋白質及び他の生物学的分子等の比較的小さな粒子又は物質の分離又は濃縮を、従来のシステム又は方法よりも遙かに効率的であり且つ遙かに自由に行う。従って、本発明の分離方法及びシステムは、物質を様々な流体から効率的に分離する上で有用である。例えば、本発明は、乳製品を処理することによって、製品中に含まれる細菌や脂肪を減少し及び／又は製品からそれらを回収することができる。更にこうした流体を分別することもできる。本発明のこれらの及び他の利点並びに本発明の追加の特徴は、添付図面及び以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、透過性の膜に亘る供給流の接線方向速度分布、及び透過性の膜から出る透過物の速度分布を示す概略図である。
第２ａ図乃至第２ｃ図は、透過性の膜に亘る供給流の接線方向速度分布、及び透過性の膜から出る透過物の速度分布に及ぼされる蛋白質の変動の作用を示す概略図であり、第２ａ図は、三つの流体流れ領域の各々での変動する速度を示し、第２ｂ図は、透過性の膜の上流面に向かう速度の変動の対流を示し、第２ｃ図は、透過性の膜の表面が平滑でない場合に粘性底層の厚さが相対的に増大することを示す。
第３図は、透過性の膜に亘る接線方向供給流にされ、透過流が透過性の膜から出る、プロセス流体中に懸濁した粒子に作用する力を示す概略図である。
第４図は、大きな粒子に及ぼされる粘性底層の作用を示す概略図である。
第５図は、剪断揚力及び透過抗力の一方又は両方を制御するための制御装置を含む剪断分離システムの概略図である。
第６ａ図及び第６ｂ図は、本発明の剪断分離方法を３００ｋＤ（第６ａ図参照）及び７０ｋＤ（第６ｂ図参照）と関連して使用した蛋白質分離実験の結果を示すグラフである。
詳細な説明
本発明は、プロセス流体を処理するための剪断分離システム及び方法を提供する。本発明のシステム及び方法は、透過性の膜の表面近くの物質に及ぼされる剪断揚力及び透過抗力を使用して分離を行うことによって、所定の分離粒径以下の粒径を持つ物質を分離粒径以上の粒径を持つ物質から分離する。従って、本発明は、単に透過性の膜の汚損を阻止するばかりでなく、プロセス流体中の物質を粒径によって分離するため、プロセス流体中で発生させた高い剪断力を使用する剪断分離システム及び方法に関する。
以下に説明する作動理論は、本発明の剪断分離システム、方法、及び装置が作動する機構であると考えられる。しかしながら、説明していない他の要因又は現象が剪断分離に何等かの作用を及ぼす場合がある。更に、本発明の剪断分離システム、方法、及び装置によって得られる全体としての効果を説明するため、他の作動理論を等しく適用できる。
表面に対して接線方向の流体流れは、表面の近くに剪断流領域を形成する。剪断流の性質は、表面の性質及び流れの速度に応じて変化する。透過性の膜等の表面の近くの剪断流中に懸濁した物体には、力、即ち、物体を表面から遠ざかる方向に動かそうとする剪断揚力が加わる。この力の大きさは、剪断流の性質、懸濁した物体の粒径、及び物体と表面との間の距離で決まる。これらの現象は周知であり、流体力学の文献に記載されている。剪断流の性質は、例えば、１９７９年にニューヨークのマッグロウヒル社が出版したＨ．シュリクテン著の「境界層理論」、１９７２年ケンブリッジのＭＩＴ出版が出版したＨ．テネケス及びＪ．Ｌ．ラムレー著の「乱流の第１コース」に記載されており且つ分析されている。剪断流中に懸濁した物体に作用する力は、例えば、１９６７年に化学工学誌の第２２号に記載されたＡ．Ｊ．ゴールドマン、Ｒ．Ｇ．コックス、Ｈ．ブレンナーの「平壁ＩＩコエット流と平行な球のゆっくりとした粘性移動」、１９６５年に流体力学誌の第２２号の第２部に記載されたＰ．Ｇ．サッフマンの「緩慢な剪断流中の小球に及ぼされる揚力の作用」、及び更に最近では１９８６年に流体における実験の第４号に記載されたＪ．Ｒ．オーティス、Ｆ．Ｗ．アルテナ、Ｊ．Ｔ．マハー、Ｇ．ベルフォルトの「単一の球形粒子の軌跡の、一つの小孔が形成するスリットを備えた壁での層流条件下の横方向に移動する状態での計測」、及び１９９３年に流体力学誌第２４６号に記載されたジョンＢ．マックローリンの「壁で境界付けられた線形剪断流中の小球に及ぼされる揚力」に記載されており且つ分析されている。
剪断流の性質は、透過性の膜の表面の性質、及び透過性の膜を通過する流体の速度等の要因で決まる。流体の流速が上昇すると、剪断速度が上昇する。しかしながら、流体の流速が高くなればなる程、乱流が増大するのに対し、流体の流速が低くなればなる程、層流が増大する。流体中の物質を所望の通りに移動するためには、好ましくは高い剪断が使用され、従って、本発明の方法及びシステムは、好ましくは乱流を必要とする。剪断速度は、好ましくは、約１００００／秒乃至１００００００／秒であり、更に好ましくは、約１０００００／秒乃至５０００００／秒であるが、本発明の方法及びシステムで使用する上では、これよりも高い剪断が適している。
第１図は、透過性の膜１０の近くの接線方向プロセス流体流等の接線方向流体流中で透過性の膜１０に亘って生じる速度分布を示す。矢印１２で示す接線方向流体流は、透過性の膜１０の供給側即ち上流側である。流体流の何分の一かが透過性の膜１０をこの膜１０の透過側即ち下流側に透過する。本発明の様々な実施例で他の状況が可能であるが、透過性の膜１０の各側に作用する圧力は好ましくは均等であり、比較的大きな圧力が上流側に作用し、この圧力は、透過流に寄与する。
接線方向流体流が乱流である場合には、第１図に示すように、明瞭に異なる３つの流れ領域が確認されることが多い。これらの領域の大きさは、剪断速度に従って変化する。透過性の膜１０の上流面に最も近い領域は粘性底層であり、この層は、多くの場合層流底層と呼ばれる。本発明では、好ましくは、約１０μｍ又はそれ以上の厚さの粘性底層を形成できる高い剪断速度を使用する。この領域では、以下に論じるように、透過性の膜１０の表面、特に透過性の膜１０の平滑な表面によって乱流の変動を抑えることができる。粘性底層では、剪断応力は、流体を通してもっぱら粘性によって伝達される。速度は、透過性の膜１０の表面からの距離に関して実質的に線形に増大できる。
透過性の膜１０の上流面から更に遠い領域は乱流領域である。この領域では、剪断応力は、もっぱら、流体のランダムな変動（即ちレイノルズ応力）によって伝達される。この乱流領域では、平均粘度は実質的に均等であり、第１図に示すように、透過性の膜１０からの距離と無関係である。
粘性底層と乱流領域との間の中間の領域が慣性底層である。本発明で好ましく使用される比較的高い剪断は、厚さが約１０μｍ乃至約５００μｍの慣性底層を形成する。この領域では、剪断応力は、部分的には粘性によって伝達でき、部分的には変動する輸送運動量（fluctuating transport of momentum）によって伝達できる。粘性底層の近くでは粘性が支配的であり、乱流領域の近くでは変動する輸送運動量が支配的である。この慣性底層では、平均速度は、一般的には、透過性の膜１０の上面からの距離に対して対数関係をなして変化する。
第１図に示すように、流体の速度の平均値は、透過性の膜１０の上流面の近くでは線形に変化し、透過性の膜１０から離れると対数をなして変化し、透過性の膜１０から更に大きく離れると最終的に均等になる。各領域のこの平均速度に変動速度を重ねる。粘性底層で生じるこの変動は、本明細書中に論じる透過性の膜１０の表面効果により比較的小さく、慣性底層では更に大きくなり、最終的には、流体の移動は乱流領域の変動する速度によって決まる。各領域での変動する速度を第２ａ図に渦矢印１６で示す。
膜１０が透過性であるため、第１図に示す透過液の流れ１４は、速度変動１６を、第２ｂ図に示すように透過性の膜１０の上流面に向けて、対流によって移動させる。透過流の流速が十分高い場合には、粘性底層を実質的になくすことができる。従って、好ましくは、粘性底層を最大にするように透過流の流速を本明細書中に説明したように制御する。
更に、透過性の膜１０の表面が、第２ｃ図に示すように平滑でない場合には、粘性底層での速度変動を大きくすることができる。突出部又は網領域で渦が発生する。これらの渦は、速度変動に影響し、変動を抑えるという透過性の膜１０の役割を小さくする。従って、粘性底層の一体性を維持するため、透過性の膜１０の上流面は、好ましくは平滑である（例えば、表面の粗さが、粘性底層の厚さと比較して小さい）。
透過性の膜の表面近くのプロセス流体中に懸濁した物体又は物質にも、透過流を表面に向かって動かそうとする力（即ち、透過抗力）により、力が加わる。物質が高分子である場合には、任意の有用な透過流の抗力と均衡をとるのに十分な揚力を発生するためには、乱流が流れの主要な性質となる程剪断速度を大きくすることができる。しかしながら、本明細書中で説明したように、透過流の流速が大き過ぎない限り、乱流領域での乱流が強い場合でも、粘性底層中の速度変動の効果は小さい。本発明の作動についての一つのモデルとして、第３図に示すように、粘性底層及び慣性底層では、矢印２０で示す揚力及び矢印２２で示す抗力が、あたかも乱流が存在しないかのように、平均速度により物質１８に加えられるものと仮定できる。更に、乱流は、方向及び大きさの両方が急速に変動する力を加える。これらの変動が迅速であり且つランダムであるため、変動する力の平均値がゼロとなり、流体中の高分子の見掛の拡散係数を増大する以外の効果がないものと仮定できる。
本明細書中に論じたように、剪断応力はほぼ全てが粘性底層の粘度によって伝達されるが、そのほんの一部だけが慣性底層の粘度によって伝達され、その残りが乱流の変動によって伝達される。このため、粘性底層中の物質、例えば第４図の物質１に加えられる揚力は、慣性底層中の同じ大きさの物質、例えば第４図の物質２に加えられる揚力よりもかなり大きい。この相違は、層流システムについて二つの物質の位置から透過性の膜の上流面までの距離の相違によって説明される相違よりも遙かに大きい。粘性底層で発生する大きな揚力を加えるため、懸濁した物質、例えば第４図の物質１は、好ましくは、その底層内に完全に入っている（即ち、物質は、好ましくは、粘性底層の厚さよりも小さい）。粘性底層の厚さに比べて大きい物質、例えば物質４には、慣性底層の小さな揚力が加わるので十分である。慣性底層は、多くの乱流において、粘性底層よりも数桁厚い。粘性底層に部分的に貫入しているがその表面の大部分が慣性底層内にある程度の大きさを持つ物質、例えば物質３に作用する揚力は、同じ位置に中心を持つ小さな物質に作用する揚力程大きくない。このことから、粘性底層中の大きな剪断速度による大きな揚力は、主に、この層の厚さに関して小さな物質に対して得られるという結論が得られる。
透過流の流速は、好ましくは、完全乱流領域での平均接線方向速度と比較して小さく、例えば接線方向速度の１００分の１以下である。幾つかの実施例では、透過流の流速は１／１０００ｍ／ｓ程度又はそれ以下であり、平均接線方向速度は１０ｍ／ｓ又はそれ以上である。例えばポール社が製造している、１６Ｐ２（ロータの直径が４０．６４ｃｍ（１６インチ））ダイナミック濾過器について、１８００回転での透過流の流速が１０００ｌｍｈ（リットル毎時）であるとき、平均接線方向速度は約１９ｍ／ｓであり、透過流の流速は約３×１０-4ｍ／ｓである。この場合、透過流の流速が粘性底層の厚さに及ぼす作用は無視できる。
本発明の実施例の作動では、物質（例えば所与の大きさの分子）を、溶液又はこの物質が懸濁した懸濁液から分離でき又は濃縮できる。この分離又は濃縮は、剪断速度及び透過流の流速を操作することによって、粘性底層中で分子に及ぼされる揚力と抗力との間の均衡をとることによって行われる。例えば、粘性底層中で所与の剪断速度にある所与の大きさの物質について、透過流の流速の上限は、透過抗力（ストークスの式によって計算した抗力）が揚力と等しくなるように選択できる。透過流の流速がこの点を越えて上昇した場合には、透過性の膜を通して物質に抗力を加えることができる。透過流の流速がこの点の速度であるか或いはそれ以下である場合には、物質は、剪断揚力によって、透過性の膜の表面近くで上流側に懸濁したままである。別の態様では、又はこれに加えて、透過流が所与の流速にある場合、所与の大きさの物質について、粘性底層の剪断速度の上限は、剪断揚力が透過抗力と等しくなるように選択できる。剪断速度がこの点よりも低下した場合には、透過性の膜を通して物質に抗力が加えられる。剪断速度がこの点の速度であるか或いはそれ以上である場合には、物質は、透過性の膜の表面近くで上流側に懸濁したままである。
透過流は、透過性の膜の上流の物質に作用する抗力を発生する。本質的には、プロセス流体は、膜を通して（即ち膜の上流側から下流側に）透過物中に引き込まれる。透過物は、一般的には、剪断分離粒径以下の大きさの物質を含む。本発明では、透過流を発生するための任意の方法を使用できる。一般的には、透過流は、透過性の膜の前後で圧力降下を発生することによってつくり出される。透過流の流速は、例えば、透過流を分離装置の透過物出口で制限することを含む任意の多くの方法で制御できる。更に、透過性の膜の性質を使用して透過流の流速（例えば、厚さ、空所容積、等）に影響を及ぼすことができる。更に、経膜圧力を調節するための任意の手段を使用して透過流の流速を制御できる。
剪断揚力は、透過性の膜の表面の近くでも発生する。本発明では、プロセス流体中で剪断を発生する任意の方法を使用できる。代表的には、プロセス流体を透過性の膜の表面に対して接線方向に相対的に移動することによって剪断を発生する。この場合、剪断は、透過性の膜の上流の流体に作用する揚力を発生する。本明細書中に論じたように、粒子に作用する揚力は、透過流が存在する場合でも、これらの粒子を膜の上流に保持するのに十分である。
所与のプロトコルについての剪断分離粒径は、膜の上流の粒子に作用する抗力と揚力との均衡を反映する。これらの力の対抗関係を第３図に示す。一般的には、抗力は、粒径が大きくなるにつれて、及び透過流の流速が増大するにつれて増大する。従って、所与の粒径の粒子について、透過流の流速を変化させることによって抗力を変化させることができる。抗力に対抗する揚力は、粒径の増大に従って、剪断速度の増大に従って、及び透過性の膜からの距離の減少に従って増大する。従って、所与の粒径の粒子について、及び透過性の膜からの所与の距離について、剪断速度を変化させることによって揚力を変化させることができる。剪断速度と透過流の流速とを適当に均衡させることによって、粒子に作用する正味の力を任意の値に調節できる。従って、揚力と抗力とを均衡させることにより、分離粒径以上の物質が膜を通って通過しないようにするが、分離粒径以下の物質を透過性の膜を通して透過物内に通過させることができる。分離粒径を決めるための主な手段として揚力と抗力との間の均衡を使用することによって、カットオフ粒径以上の物質とカットオフ粒径以下の物質とを分離する上での正確さを高める。かくして、幾つかの実施例では、粒径及び／又は分子量のカットオフ特性を更に正確に調整したマイクロ濾過又は限外濾過を行うことができる。
剪断分離システム、方法、及び装置で使用するための膜は、膜の表面に十分な剪断を発生するための任意の適当な種類の膜であるのがよく、適当な多孔膜が当該技術分野で周知である。膜は、処理されるべきプロセス流体に関して適合性である限り、任意の適当な材料（例えば、金属、セラミック、紙、ポリマー、等）から製造できる。更に、膜の寸法は、本発明のシステム及び方法と適合する限度内で大幅に変化させることができる。かくして、膜は任意の適当な大きさ又は厚さであるのがよい。更に、剪断分離粒径を決定するための主な要因が剪断であるため、本発明で使用するための膜は、広範な細孔等級又はカットオフ分子量を有する。しかしながら、本明細書中で論じたように、膜の表面は、好ましくは、表面と隣接して粘性底層を形成するのに十分平滑である。粘性底層に及ぼされる効果を見積もるため、平滑さの少なくとも二つの計測値が透過性の膜について適当である。好ましくは、孔径及び膜の表面の高さの孔間の変化の両方が、粘性底層の厚さと比較して小さい。剪断分離を行うため、例えば、粘性底層の形成を妨げない平滑な膜について、孔径の和及び表面高さの変化の２乗平均平方根が、粘性底層の厚さの約１００分の１以下であるのがよい。
分離粒径が剪断−透過流の関数であるため、膜の細孔等級（即ちカットオフ分子量）は、分離能と直接的に関連しない。剪断流が隣接して発生する表面として主に透過性の膜を使用する。かくして、本発明の方法及びシステムの一つの利点は、膜の細孔等級よりも小さな分離粒径を達成でき、これによって、膜の汚損を最小にし、透過率を高め、分離システムの使用可能寿命を長くする。更に、これによって、例えば、細胞溶解物懸濁液から単一の蛋白質分子を分離する方法、又は蛋白質を乳製品から分離する方法で必要な分離工程の数を減らすことができる。第２の利点は、剪断揚力の透過抗力に対する比を変化させることによって、広範な分離カットオフ粒径範囲を一つの膜で得ることができるということである。これにより、剪断揚力及び透過抗力を小さな又は大きな分離カットオフ粒径に合わせて調節することによって、一つの工程の透過物を次の工程の供給物としてリサイクルするだけで、分離方法の幾つかの分離工程を単一の透過性の膜で行うことができる。従って、膜の孔径即ちカットオフ分子量は、分離カットオフ粒径よりも大きく、所望の分離粒径の少なくとも１．５倍乃至少なくとも２倍（例えば、分離粒径の少なくとも３倍）であり、分離粒径の少なくとも５倍程度（所望の分離粒径の少なくとも８倍）又はそれ以上（例えば、所望の分離粒径の少なくとも１０倍、又は所望の分離粒径の最大約１５倍又はそれ以上）であるのがよい。かくして、例えば、所望の分離粒径が約７０ｋＤ以下である場合には、孔径等級が約１００ｋＤの膜が適当であるが、孔径がこれ以上の膜を使用することもできる。
更に、所望の分離粒径が約１００ｋＤ乃至約１５０ｋＤである場合には、孔径等級が約３００ｋＤ乃至約５００ｋＤの膜が適当である。また、分離媒体の孔径又はカットオフ分子量は、所望の分離カットオフ粒径と実質的に等しい。この実施例では、透過性の膜は「ラストチャンス（last chance）」フィルタとしても役立つ。勿論、膜の細孔等級は、好ましくは、所定の剪断分離カットオフ粒径以下ではない。一般的には、剪断分離に適した膜の細孔等級は、約１０００ｋＤ以下である。これは、孔径が大きいと膜の表面の所望の平滑さに悪影響が及ぼされるためである。更に好ましくは、細孔等級は、５００ｋＤ又はそれ以下（例えば約３００ｋＤ又はそれ以下）、又は約１００ｋＤ又はそれ以下である。しかしながら、本発明の剪断分離方法及びシステムでは、本明細書中で言及したように、抗力と均衡するのに適当な揚力を発生するのに十分に表面を平滑にできる場合には、孔径が１０００ｋＤ以上の膜を使用することができる。
本発明の剪断分離システム及び方法は、任意の適当な流体を処理する手段を提供する。例えば、本発明の剪断分離システム及び方法は、血液、血液分画、及び細胞培養、又は酵母、細菌、植物、及びママリアン（mamalian）細胞培養等の細胞培養の溶解物を含む様々な蛋白質含有液体から様々な蛋白質を分離するのに使用できる。
特定的な一つの例は、乳製品、特に脱脂乳及び乳清製品の処理である。本発明は、任意の種類の乳製品、特に脱脂乳及び乳清製品の処理に適している。脱脂乳は、全乳からクリームを除去することによって製造される。脱脂乳製品には、生脱脂乳並びにそれから得られる分画（例えば濾過又は他の分離方法を予め加えた、乳清及び乳清製品を含むがこれらに限定されない乳汁又は乳製品）が含まれる。乳清は、代表的には、チーズの製造時に製造されるが、本発明は、他の種類の乳清の使用を含もうとするものである。乳清製品には、乳清並びに乳清から得られる分画が含まれる。このように、乳清製品には、例えば、チーズ乳清、清澄（clarified）乳清、乳清粉体、低温殺菌乳清、乳清濃縮物、及び他の乳清分画（例えば、濾過及び他の分離方法を予め加えた乳清又は乳清製品）が含まれる。
蛋白質を乳製品から回収しようとする場合には、乳製品は、所定温度まで加熱しないのが望ましい。これは、乳中の蛋白質に悪影響（例えば、蛋白質、特に免疫グロブリン又は組み換え蛋白質を変性する）が及ぼされることがあるためである。詳細には、乳製品を、望ましくは、約６０℃又はそれ以下、好ましくは、約５０℃又はそれ以下、更に好ましくは、約４０℃又はそれ以下、最も好ましくは約２０℃乃至２５℃又はそれ以下に維持するのが望ましい。かくして、乳製品は、好ましくは、低温殺菌されていないし、低温殺菌した乳製品から得られるのでもない。好ましくは、細菌を除去するために本発明の方法による濾過、又は米国特許第５，２５６，４３７号、米国特許第５，３５６，６５１号、及び米国特許第５，４０１，５２３号に開示されているようなダイナミック濾過を加えた乳からの製品として、生脱脂乳や乳清等の乳製品を得る。
かくして、本発明は、乳製品、特に細菌を除去し且つ脂肪分を除去した乳製品（特に、生脱脂乳又は乳清から得られた透過物）を処理し、剪断分離によって乳製品を処理して蛋白質分の高い残留物又は蛋白質分の高い透過物（分離粒径に対する蛋白質の粒径で決まる）を形成することによって、乳製品中に含まれる蛋白質を濃縮するシステム及び方法を提供する。代表的には、乳清製品は、分子量の異なる多くの蛋白質、詳細には、免疫グロブリン、ラクトフェリン、ラクトペルオキシダーゼ、血清アルブミン、β−ラクトグロブリン、α−ラクトアルブミン、及び／又は任意の組み換え蛋白質を含む。他の乳製品は、代表的には、これらと同じ蛋白質並びにカゼインを含む。本発明は、特定の剪断分離条件（例えば、濾材の孔径等級、抗力、及び揚力）を選択することによって、特定の蛋白質又は蛋白質の組み合わせ（例えば、第１蛋白質、第２蛋白質、第３蛋白質、第４蛋白質、及び第５蛋白質（並びに任意の他の蛋白質））を濃縮でき、これは、別の態様では、様々な処理条件（例えば、細孔等級が徐々に小さくなる濾材、高められた透過流、減少させた揚力、及び場合によっては、本発明の方法と関連した従来の分離技術）を使用した一連の分離工程によって行うことができる。
上述の蛋白質濃縮方法では、第１蛋白質、第２蛋白質、第３蛋白質、第４蛋白質、及び第５蛋白質（並びに任意の他の蛋白質）は、任意の適当な蛋白質であるのがよい。望ましくは、比較的高分子量の蛋白質が、比較的低分子量の蛋白質よりも前に濃縮される。代表的には、蛋白質は、免疫グロブリン、ラクトフェリン、ラクトペルオキシダーゼ、血清アルブミン（通常は、乳製品の最終的な供給源が牛乳である場合、ウシ由来血清アルブミンである）、β−ラクトグロブリン、α−ラクトアルブミンからなる群から選択される。乳製品がこれらの蛋白質を全て含む場合には、代表的には、第１蛋白質は免疫グロブリン（一般的には、分子量が約１５０ｋＤ乃至９００ｋＤ）であり、第２蛋白質はラクトフェリン（一般的には、分子量が約７４ｋＤ乃至９０ｋＤ）及びラクトペルオキシダーゼ（一般的には、分子量が約７７．５ｋＤ）であり、第３蛋白質は血清アルブミン（一般的には、分子量が約６６ｋＤ）であり、第４蛋白質はβ−ラクトグロブリン（一般的には、分子量が約３６ｋＤの二量体の形体で存在する）であり、第５蛋白質はα−ラクトアルブミン（一般的には、分子量が約１４ｋＤ）である。勿論、本発明のシステム及び方法は、分子量がこれよりも大きい又は小さい他の蛋白質にも適用できる。勿論、乳製品が組み換え蛋白質を更に含む場合には、その分子量は一般に周知である。同様に、本発明のシステム及び方法は、蛋白質の組み合わせを、使用された分離プロトコルの分離粒径に対する蛋白質の分子量に基づいて取り出すのに使用できる。例えば、血清アルブミン及びβ−ラクトグロブリンを乳製品から別に取り出す代わりに、アルブミン及びβ−ラクトグロブリンを膜を通して引き出すのに十分な抗力を発生すると同時に大きな粒径を残留物内に保持するのに十分な揚力を発生する剪断分離プロトコルによって、これらの蛋白質を一緒に分離できる。勿論、蛋白質の他の組み合わせを同様の方法で分離できる。
初期乳製品が従来の生脱脂乳又は乳清である場合には、上述の蛋白質を乳製品から分離した後に得られる透過物は、脂肪分が除去されており且つ蛋白質が除去されており、ミネラル、ビタミン、及びラクトースだけが含まれる。例えば乳製品透過物に上述の順次剪断分離プロトコルを加えることによって、様々な蛋白質の取り出し及び濃縮を本発明に従って行うことができる。このプロトコルは、（ａ）約９００ｋＤ又はそれ以上、好ましくは約９００ｋＤ乃至１０００ｋＤの粒径の分離を行い、残留脂肪分及びカゼインを除去し、問題の蛋白質を透過物中で濃縮する（しかしながら、本明細書中に説明したように、この工程は、本発明の幾つかの実施例では、好ましくは省略される）第１分離プロトコルと、（ｂ）約９０ｋＤ又はそれ以上、好ましくは約９０ｋＤ乃至１００ｋＤの粒径の分離を行い、免疫グロブリン含有量が高い残留物を形成する第２分離プロトコルと、（ｃ）約６０ｋＤ乃至７０ｋＤ、好ましくは約６０ｋＤ乃至６５ｋＤの粒径の分離を行い、ラクトフェリン／ラクトペルオキシダーゼの含有量が高い残留物を形成する第３分離プロトコルと、（ｄ）約４０ｋＤ乃至６０ｋＤ、好ましくは約５０ｋＤ乃至６０ｋＤの粒径の分離を行い、血清アルブミンの含有量が高い残留物を形成する第４分離プロトコルと、（ｅ）約１５ｋＤ乃至２５ｋＤ、好ましくは約１５ｋＤ乃至２０ｋＤの粒径の分離を行い、β−ラクトグロブリンの含有量が高い残留物及びα−ラクトアルブミンの含有量が高い残留物を形成する第５分離プロトコル、及び／又は（ｅ）約１０ｋＤ乃又はそれ以下、好ましくは約５ｋＤ乃至１０ｋＤの粒径の分離を行い、β−ラクトグロブリンの含有量が高い残留物、及びペプチド、ミネラル、ビタミン、及びラクトース等の分子量が低い成分を含む、蛋白質が実質的に除去された透過物を形成する第６分離プロトコルとを含む。
剪断力及び透過流を発生するため、ダイナミック濾過アッセンブリ等の任意の適当な装置又はシステムを使用できる。ダイナミック濾過アッセンブリは、任意の適当な形体であるのがよく、代表的には、分離アッセンブリを収容したハウジングを含む。この分離アッセンブリは、少なくとも一つの分離媒体（好ましくは、透過性の膜を含む）及び濾過されるべき流体と分離媒体との間で相対的移動を行う機構を有する。ハウジングは、プロセス流体をハウジング内に差し向けるように構成されたプロセス流体入口、及び透過物をハウジングから差し向けるように構成された透過物出口を含む。更に、ハウジングは、残留物をハウジングから差し向けるように構成された残留物出口を含む。
分離媒体が透過性の膜を含む場合、この膜は、代表的には、プロセス流体入口と連通した上流面及び透過物出口と連通した下流面を有する。所望の剪断分離プロトコルに応じて、透過性の膜は、透過性の膜の上流に保持されるべき物質の粒径よりも大きな（本明細書中に説明したようにかなり大きい）細孔を有する。更に、粘性底層の厚さを最大にするため、透過性の膜は、本明細書中に説明したように、その少なくとも上流面の粘性底層の厚さと比較して小さな表面粗さを追加に備えているのがよい。本明細書中に説明したように剪断分離を行うため、濾過されるべき流体と分離エレメントとの間で相対的移動を行う機構は、一般的には、好ましくは、透過性の膜の上流面と隣接して剪断を発生するための手段である。このような手段は、好ましくは、透過流が存在する状態で透過性の膜の上流面に保持されるべき物質の通過を妨げるのに十分な剪断をプロセス流体中に発生する。かくして発生された剪断力は、好ましくは、粘性底層の厚さよりも小さな物質の透過性の膜を通過を、透過流が存在する状態で、妨げるのに十分である。
分離アッセンブリ、及び濾過を受ける流体と分離媒体との間で相対的移動を行うための機構は、様々な適当な形体のうちの任意の形体を持つことができる。例えば、分離アッセンブリは、国際公開第ＷＯ９５／００２３１号及び国際公開第ＷＯ９６／０１６７６号に開示されているアッセンブリ等の、定置のフィルタエレメント及び回転するインターリーブドディスクからなるアッセンブリ、或いは回転フィルタエレメント及び定置のインターリーブドディスクからなるアッセンブリであるのがよい。別の態様では、分離アッセンブリは、国際公開第ＷＯ９７／１３５７１号に開示されているアッセンブリ等の、定置のフィルタエレメント及び回転自在のハウジングを持つアッセンブリであるのがよい。
剪断分離を受けるプロセス流体は、任意の数の手段によって、例えば国際公開第ＷＯ９５／００２３１号及び国際公開第ＷＯ９６／０１６７６号に記載された手段のうちの任意の手段によって、ダイナミック濾過アッセンブリに供給できる。プロセス流体は、例えば所定の圧力及び流速で、プロセス流体入口を通してハウジング内に差し向けることができる。プロセス流体は、次いで、透過性の膜の上流面に沿って接線方向に流れ、残留物出口を通ってハウジングを出る。透過物は、経膜圧力により、透過性の膜を通って上流面から下流面に圧送され、透過物は、ハウジングから透過物出口を通って取り出される。
プロセス流体をダイナミック濾過アッセンブリのハウジングに導入すると、プロセス流体に角運動量が加わり、プロセス流体を特定の速度で回転する。流体の回転により、本明細書中に説明した剪断が生じる。角運動量は、任意の数の方法で流体に加えることができる。例えば、国際公開第ＷＯ９６／０１６７６号に記載されているように、分離アッセンブリと、分離媒体に面した分離部材との間の相対的回転を生ぜしめることができ、例えば、部材を回転でき、又は分離媒体を回転できる。別の態様では、国際公開第ＷＯ９７／１３５７１号に記載されているように、ハウジングを回転させることができる。両場合において、回転移動により、角運動量がプロセス流体に移行し、これによって剪断が発生する。本明細書中に説明したように、剪断は、プロセス流体中の粒子又は物質に揚力を発生し、透過流は、プロセス流体中の粒子又は物質に抗力を発生する。これらのパラメータは、両方とも、本明細書中に説明した所定の分離粒径の粒子又は物質に作用する揚力及び抗力の均衡をとるように調節できる。例えば、回転速度を変化させることによって剪断速度を調節でき、経膜圧力を変化させることによって透過流を調節できる。
本発明を具体化した剪断分離システムは、制御システム及びダイナミック濾過アッセンブリを含むのがよい。上文中に論じたように、剪断分離システムは、分離媒体の分離カットオフ粒径が問題の粒子の粒径よりも大きい場合でも、様々な粒径の粒子又は物質の分離に使用できる。ダイナミック濾過アッセンブリの有効分離カットオフ粒径は、主として、剪断揚力及び透過抗力で決まる。更に詳細には、有効分離カットオフ粒径は、剪断揚力及び透過抗力の相対的な大きさを調節することによって制御できる。従って、有効分離カットオフ粒径を検出し、剪断揚力及び／又は透過抗力を変化させる制御システムを使用することによって、ダイナミック濾過アッセンブリの有効分離カットオフ粒径を、特定の用途の必要に従って制御できる。
制御システム３０及びこの制御システム３０に連結されたダイナミック濾過アッセンブリ３６を含む剪断分離システムの一つの例示の実施例を第５図に示す。制御システム３０は、センサ３２及びこのセンサ３２に接続された制御装置３４を含む。制御装置３４及びセンサ３２の両方は、更に、剪断分離装置３６に接続されている。
ダイナミック濾過アッセンブリ３６は、分離を行うために剪断揚力及び透過抗力を使用することによって、様々な粒径の粒子を分離できる任意の装置を備えている。例えば、ダイナミック濾過アッセンブリ３６は、ハウジング、一つ又はそれ以上の分離エレメント、又はプロセス流体と接触した１つ又はそれ以上のディスク又はシリンダのいずれかを回転させることによって、剪断揚力を発生できる。剪断分離システムは、好ましくは、ハウジングを通る流体の流れを制御するため、ポンプ、バルブ、及び導管を含む装置を更に有する。例えば、ダイナミック濾過アッセンブリは、プロセス流体を収容するのに適したハウジングを含む。１つ又はそれ以上の分離エレメントがハウジングをプロセス流体領域及び透過領域に分割する。ハウジングは、プロセス流体をハウジングのプロセス流体領域内に差し向けるためのプロセス流体入口、及び残留流体をハウジングのプロセス流体領域から差し向けるための残留物出口を含む。ハウジングは、更に、透過流をハウジングの透過領域から差し向けるための透過物出口を含む。ポンプは、流体の流量を制御するため、ハウジングの上流又は下流に配置できる。ダイナミック濾過アッセンブリには、ハウジング、分離エレメント、及び／又はディスク又はシリンダを回転させることによって剪断揚力を発生するためのモータが設けられている。
ダイナミック濾過アッセンブリの一例が、１９９７年４月１７日に公開された国際公開第ＷＯ９７／１３５７１号に開示されている。しかしながら、本発明は、任意の特定の種類のダイナミック濾過アッセンブリに限定されない。剪断揚力及び透過抗力を使用して分離を行う任意の装置は、本発明の範疇にある。
センサ３２には、ダイナミック濾過アッセンブリの性能を計測するためにこのアッセンブリに接続できる任意の種類のセンサが含まれる。例えば、センサ３２には、透過物又は残留物中の一つ又はそれ以上の粒子又は物質の粒径を示す信号、従ってダイナミック濾過アッセンブリの計測された分離カットオフ粒径を示す信号、例えば電流又は電圧を発生する粒径センサが含まれる。好ましい実施例では、センサ３２は、透過物中の粒子又は物質の粒径を検出し、装置の計測された分離カットオフ粒径を示す信号を発生するため、ダイナミック濾過アッセンブリ３６の分離媒体の下流で透過物導管に接続されている。別の態様では、センサ３２は、残留物中の粒子の粒径を検出するため、分離媒体の上流で残留物導管に接続されているのがよい。計数器又は乱流センサを含む様々な適当なセンサ３２が、容易に入手できる。
制御装置３４は、ダイナミック濾過アッセンブリ３６内での剪断揚力及び／又は透過抗力を一つ又はそれ以上の入力に基づいて変化させるため、出力信号を提供するのに適した任意の種類の制御装置を含む。制御装置３４は、好ましくは、複数の入力信号を受け取り、少なくとも一つの出力信号を発生する。図示の実施例では、制御装置３４は、所望の分離カットオフ粒径を示す基準入力信号、及び計測した即ち検出した分離カットオフ粒径を示す別の入力信号、例えばセンサ３２からの出力を受け取る。制御装置３４は、好ましくは、基準入力信号とセンサ３２からの出力との間の相違を示すエラー信号を発する。このエラー信号は、制御装置３４の出力信号からなる。好ましい実施例では、制御装置３４はエラー信号を処理し、作動パラメータ、例えば、ダイナミック濾過アッセンブリ３６内での剪断揚力及び／又は透過抗力に影響を及ぼす回転速度及び／又は経膜圧力等のパラメータを制御するのに適したフォーマットにする。
制御装置３４は、アナログ式であってもデジタル式であってもよく、入力信号の状態を調節する適当な状態調節回路（conditioning circuitry）を含むのがよい。入力がアナログ信号であり、制御装置３４がデジタル式である場合には、制御装置３４は、処理を行うために入力信号をデジタルフォーマットに変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを含むのがよい。制御装置３４は、更に、制御論理を実行し制御信号をダイナミック濾過アッセンブリ３６に出力する演算処理回路、例えばマイクロプロセッサを含むのがよい。制御装置３４は、更に、アナログ装置、例えば、ダイナミック濾過アッセンブリ３６のハウジング、フィルタエレメント、又はディスクを駆動するモータで使用するために制御信号をアナログフォーマットに変換するデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータを含むのがよい。好ましい実施例では、制御装置は、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）を含む。
作動では、ダイナミック濾過アッセンブリ３６を通るプロセス流体流を形成し、装置内の分離媒体の前後に経膜圧力を発生する。経膜圧力により、透過流が発生し、これにより、分離媒体の上流側のプロセス流体中の粒子に透過抗力が生じる。例えば、モータを賦勢してハウジング、フィルタエレメント、又はプロセス流体と接触したディスク又はシリンダを回転させることによって、分離媒体の上流側の流体中の粒子に剪断揚力が発生する。剪断揚力は、分離媒体の上流側の粒子に作用する透過抗力に逆らう。これらの力の一方又は両方に作用するパラメータを調節することによって、第１粒径の物質を分離媒体の上流側に止め、第２粒径の物質を分離媒体を通して下流側に送る。好ましい実施例では、センサ３２は、透過物又は残留物中の物質の粒径を検出し、ダイナミック濾過アッセンブリ３６の計測された分離カットオフ粒径を示す出力信号を発生する。
制御装置３４は、センサ３２から一つ又はそれ以上の出力信号を受け取り、更に、所望のシステム出力を示す一つ又はそれ以上の基準入力信号、例えばダイナミック濾過アッセンブリ３６の所望の分離カットオフ粒径を受け取る。制御装置３４は、これに応じて、一つ又はそれ以上の制御信号をダイナミック濾過アッセンブリ３６に出力する。例えば、センサ出力と基準入力との間の関係が所定の許容範囲内にあり、例えば、計測された分離カットオフ粒径が所望の分離カットオフ粒径と等しいか或いはこれに十分に近いことが示されている場合には、制御装置３４が出力する制御信号は、ダイナミック濾過アッセンブリ３６の作動に大きな影響を及ぼさない。これは、アッセンブリが所望の通りに作動しているためである。センサ出力と基準入力との間の関係が所定の許容範囲から外れている場合には、制御装置３４は、この関係を所定の許容範囲内に強制的に戻すようにダイナミック濾過アッセンブリ３６の作動に影響を及ぼす制御信号を発生する。制御装置３４は、プロセス流体中の物質に作用する剪断揚力を増減でき、制御装置３４は、プロセス流体中の物質に作用する透過抗力を増減でき、又は、制御装置３４は、物質に作用する剪断揚力及び透過抗力の両方を増減できる。
制御装置３４がダイナミック濾過アッセンブリ３６で剪断揚力及び／又は透過抗力を調節する機構は、剪断分離を行うのに使用されるダイナミック濾過アッセンブリ３６の種類で決まる。例えば、ダイナミック濾過アッセンブリが、剪断揚力を発生するためにプロセス流体と分離エレメントとの間の相対的回転を使用する場合には、制御装置３４は回転を生ぜしめるモータの速度を変化させ、これによって剪断揚力を増減する。別の態様では、又は追加として、制御装置３４はダイナミック濾過アッセンブリの分離エレメントの前後の圧力差を調節するために一つ又はそれ以上のポンプを制御し、透過流の流速を増減し、これによって透過抗力を調節する。本発明は、剪断揚力及び透過抗力を調節するための任意の特定の機構に限定されない。剪断揚力及び透過抗力の相対的な大きさを制御するための任意の方法は、本発明の範疇にある。
例示の実施例には、単一のセンサ３２、単一の制御装置３４及び単一のフィードバックループが示してあるが、本発明は、このような実施例に限定されない。制御システムは、分離装置からの複数の出力を検出する複数のセンサを含む。例えば、流体を検出するセンサの他にモータの速度及び／又は加速度を検出するセンサが設けられているのがよい。かくして、制御装置３４は、複数のセンサから入力を受け取り、複数の制御論理を実行し、複数の制御信号をダイナミック濾過アッセンブリに出力する。
本発明の剪断分離方法及びシステムは、単パスモードで又は再循環モードで使用できる。例えば、更に分離を行うため、残留物出口を通して引き出された残留物をプロセス流体入口に再度差し向けることができる。別の態様では、又は残留物の再循環に加え、透過物を透過物出口からプロセス流体入口に引き込むことによって透過物を再循環できる。
本発明の剪断分離システム及び方法は、分離を完全に又は実質的に完全に行うことに加え、分離カットオフ粒径以下の粒径を持つ物質及び／又は分離カットオフ粒径以上の粒径を持つ物質の濃縮にも使用できる。例えば、所定の分離カットオフ粒径以下の粒径を持つ物質は、透過性の膜を透過流をなして通過でき、その結果、透過性の膜の下流側の物質の濃度は上流側よりも高い。同様に、所定の分離カットオフ粒径以上の粒径の物質を透過性の膜の上流側に沿って保持でき、その結果、透過性の膜の上流側の物質の濃度は下流側よりも高い。従って、透過物は、所定の分離カットオフ粒径以下の物質の濃度が高く、残留物は、所定の分離カットオフ粒径以上の物質の濃度が高い。
例
以下の例は、本発明を更に例示する。詳細には、以下の例は、本発明の剪断分離システム及び方法は、使用された任意の分離媒体の孔径等級よりも分離粒径をかなり小さくできることを示す。従ってこれらの例は、剪断揚力及び透過抗力の均衡により、溶液又は懸濁液からの粒子の分離を膜の粒径除外（size exclusion）とは実質的に無関係に行うことができるということを示す。これらの例は、更に、乳製品からの蛋白質の回収に本発明の剪断分離方法を使用できるということを示す。勿論、これらの例は、例示の目的で本明細書中に含まれるものであって、いかなる意味でも本明細書の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
例１
この例は、剪断揚力と透過抗力との均衡により、溶液又は懸濁液からの粒子の分離を膜の粒径除外に拘わらず行うことができるということを示す。
この例では、プロセス流体は、燐酸緩衝塩水（塩化ナトリウム１２０ｍＭ、塩化カリウム２．７ｍＭ、燐酸緩衝剤１０ｍＭ）、粒径が約６０ｋＤの０．１％の濃度のウシ由来血清アルブミン（ＢＳＡ）、及び０．０２％の濃度の粒径が約１６ｋＤのリゾチームを含む。高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）を使用し、実験中に蛋白質濃度を決定する。試験は、幾つかの回転速度（異なる剪断速度）及び透過流の流速で実施される。ポール社からフィルトロンオメガ（ＦＩＬＴＲＯＮ ＯＭＥＧＡ）ＵＦの商標で入手できるポリエーテルスルホン膜を、ポール社のＬＡＢ６ダイナミック濾過装置で二つの異なる孔径で使用する。一方の孔径は、３００ｋＤ以上の蛋白質を除外する孔径であり、他方の孔径は、７０ｋＤ以上の蛋白質を除外する孔径である。
第６ａ図は、３００ｋＤのフィルトロンオメガＵＦ膜を使用した二つの試験（試験１及び試験２）の結果を示すグラフである。膜が上側に置かれた格子状透過物ダクトは、透過流の流量が約３０ｍｌ／分になるように制限される。残留物の流量は、約１ｍｌ／分である。両試験について、透過物を先ず最初に３４５０ｒｐｍで収集した後、３０００ｒｐｍ、２５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、及び９００ｒｐｍの順で収集する。これらの回転速度により膜の表面で発生する剪断力は、夫々、５×１０5／秒、３×１０5／秒、２．５×１０5／秒、１．７５×１０5／秒、１．０×１０5／秒、４×１０4／秒である。次いで、第２の試料を３４５０の回転速度で収集する。第２試験（試験２）では、２０００ｒｐｍで追加の試料を取り出す。この際、残留物の速度は０．５ｍｌ／分まで低下する。第１試験の終わりに、膜の一部が約０．５ｃｍに亘って支持材料から破れていたことがわかった。しかしながら、膜の染色試験（dye test）によれば、蛋白質が溝に亘って均等に付着したことが示された。このことは、裂けたのにも拘わらず、流れがかなり均等であったことを示す。第２試験では、膜は、実験の終わりでも良好な状態であった。
３００ｋＤの膜の細孔構造は、ＢＳＡ又はリゾチームのいずれの透過に対しても大き過ぎる。これを、第６ａ図に、回転数ゼロでのこれらの２種類の蛋白質の透過率が１００％であるということで示す。１５００ｒｐｍまでは、膜を通る蛋白質の透過率が回転数の上昇に従って明瞭に低下する。各試験において、分子量の高いＢＳＡに及ぼされる効果はリゾチームよりも大きい。これよりも高い回転数では、回転数の上昇に従って透過率が上昇する。これは、おそらくは、３００ｋＤの媒体の表面粗さが粘性底層を破壊するのに十分な点まで粘性底層の厚さが減少するためである。第２の３４５０点でのシフトは、膜の汚損、又は単なるデータのばらつきによる。第２の２０００ｒｐｍ点でのシフトも同じ理由による。これは、残留物の流速の減少によると結論付けられる程大きくない。これらの実験は、剪断揚力及び透過抗力の均衡だけによる、即ち膜の粒径除外に信頼性を置かずに、粒径が明瞭に異なる二つの蛋白質の分離を示す。
第６ｂ図は、７０ｋＤのフィルトロンオメガＵＦ膜を使用した試験（試験１及び試験２）の結果を示すグラフである。７０ｋＤ膜を使用する第２試験は、透過流の流速が１８ｍｌ／分であり、２０００ｒｐｍの残留物減少点を試験しないこと以外は３００ｋＤ膜を用いた二つの実験と同様の方法で実施される。第１試験では、透過流の流速は１６０ｍｌ／分に設定されており、各データ点について新たな膜を使用した。
グラフに示すように、７０ｋＤの膜を通るＢＳＡの透過率は、かなり制限されており、膜上にＢＳＡゲル層が形成され易いため、このグラフの解釈は複雑である。１６０ｍｌ／分の透過流の流速は、剪断層を通るリゾチームの大部分に全ての回転数で抗力を与えるのに十分大きな透過流の流速であると考えられるが、１８ｍｌ／分の速度は、非常にゆっくりとしているため、リゾチームはＢＳＡゲル層を貫通できない。これらの最後の二つの試験は、小さな蛋白質を分離するため、抗力に対して均衡させた剪断力を使用することを示す。この際、大きな蛋白質は、従来の濾過によって除外される。
例２
この例は、本発明の剪断分離方法が、有効孔径を、使用された濾材の細孔等級よりもかなり小さくできるということを示す。
詳細には、ポール社のＰＶ−２０と呼ばれている実験用ポリエーテルスルホン膜を使用してＰＢＳ中の溶解Ｅ．コリ細胞の懸濁液から蛋白質を分離する試みがなされた。ＰＶ−２０は、約１００ｋＤの分子量をカットオフするように規定された二重ポリエーテルスルホン膜である。蛋白質の濃度を決定するために透過物の電気泳動ゲルを使用する。実験では、透過流を１３ｍｌ／分に設定し、１９３５ｒｐｍの回転数を使用する。これにより、膜の表面に１０5／秒程度の剪断速度が発生する。以下の表は、実験結果を概略に示す。
0004509224.tif 000002
この結果によって示されるように、膜の孔径が遙かに大きな分子を透過させることができるのに十分である場合でも、剪断により、蛋白質の透過が大きく阻害された。
例３
この例は、乳汁から蛋白質を回収するために剪断分離方法をどのように使用するのかを例示する。
全乳に遠心分離又はダイナミック濾過を加え（孔径等級が０．８μｍの濾材を使用する）、クリーム残留物及び脱脂乳透過物を形成する。脱脂乳透過物をダイナミック濾過し（孔径等級が０．４μｍの濾材を使用する）、脂肪分が高い残留物及び脂肪分及び細菌を除去した透過物を形成する。
脂肪分及び細菌を除去した透過物に、有効分離粒径を０．０５μｍ乃至０．２μｍにするため、孔径等級が０．３μｍの濾材を使用して勢断分離を加え、カゼイン分の高いミセル残留物（全固形分濃度が１５％乃至２０％であり、全固形分のカゼインのミセル濃度が６０％乃至７０％）及び乳血清透過物（milk senlmpermiate）を形成する。
有効分離粒径を１００ｋＤにするためにカットオフ分子量が５００ｋＤの濾材を使用した剪断分離工程を乳血清透過物に加え、免疫グロブリン分が高い残留物及び免疫グロブリンを除去した乳血清透過物を形成する。有効分離粒径を７０ｋＤにするためにカットオフ分子量が２００ｋＤの濾材を使用した剪断分離を免疫グロブリンを除去した乳血清透過物に加え、ラクトフェリン分及びラクトペルオキシダーゼ分が高い残留物及びラクトフェリン及びラクトペルオキシダーゼを除去した乳血清透過物を形成する。ラクトフェリン及びラクトペルオキシダーゼを除去した乳血清透過物をフィルタを通して再循環し、有効分離粒径を５０ｋＤにするために揚力を低下させ及び／又は抗力を高めた状態で剪断分離を加え、ウシ由来アルブミン分が高い残留物及び免疫グロブリン／ラクトフェリン／ラクトペルオキシダーゼ／ウシ由来アルブミンを除去した透過物を形成する。別の態様では、有効分離粒径を５０ｋＤにするために適当な揚力／抗力比でのカットオフ分子量が２００ｋＤの濾材を使用する初期剪断分離プロトコルを初期乳血清透過物に加え、免疫グロブリン／ラクトフェリン／ラクトペルオキシダーゼ／ウシ由来アルブミンを除去した透過物を形成する。
免疫グロブリン／ラクトフェリン／ラクトペルオキシダーゼ／ウシ由来アルブミンを除去した透過物を１００ｋＤフィルタを通して再循環し、有効分離粒径を２０ｋＤにするために揚力を低下させ及び／又は透過流の流れを増大した状態で剪断分離を再び加え、β−ラクトグロブリン分が高い残留物及びβ−ラクトグロブリンを除去した透過物を形成する。β−ラクトグロブリンを除去した透過物を同じフィルタを通して再循環し、有効分離粒径を１０ｋＤにするために揚力を低下させ及び／又は透過流の流れを増大した状態で剪断分離を再び加え、α−ラクトアルブミン分が高い残留物及びα−ラクトアルブミンを除去した透過物（脂肪分及び蛋白質を含まない乳固形分を含む）を形成する。
例４
この例は、乳清から蛋白質を回収するために剪断分離方法をどのように使用するのかを例示する。
チーズ乳清に遠心分離又はダイナミック濾過を加え（有効分離孔径を０．６５μｍにする剪断分離プロトコルを使用する）、乳清クリーム残留物及び脱脂乳清透過物を形成する。脱脂乳清透過物をダイナミック濾過し（孔径等級が０．４μｍの濾材を使用する）、脂肪分が高い残留物及び脂肪分及び細菌を除去した蛋白質分が高い透過物を形成する。脂肪分及び細菌を除去した蛋白質分が高い透過物をダイナミック濾過し（孔径等級が０．２μｍの濾材を使用する）、脂肪分及び細菌が多く含まれるスラッジ残留物及び乳清蛋白質分が高い透過物を形成する。
有効分離粒径を１００ｋＤにするため、カットオフ分子量が５００ｋＤの濾材を使用した剪断分離工程を乳清蛋白質分が高い透過物に加え、免疫グロブリン分が高い残留物及び免疫グロブリンを除去した乳清製品透過物を形成する。有効分離粒径を７０ｋＤにするためにカットオフ分子量が２００ｋＤの濾材を使用した剪断分離を免疫グロブリンを除去した乳清製品透過物に加え、ラクトフェリン分及びラクトペルオキシダーゼ分が高い残留物及びラクトフェリン及びラクトペルオキシダーゼを除去した乳清製品透過物を形成する。ラクトフェリン及びラクトペルオキシダーゼを除去した乳清製品透過物をフィルタを通して再循環し、有効分離粒径を５０ｋＤにするために揚力を低下させ及び／又は抗力を高めた状態で剪断分離を加え、ウシ由来アルブミン分が高い残留物及び免疫グロブリン／ラクトフェリン／ラクトペルオキシダーゼ／ウシ由来アルブミンを除去した透過物を形成する。別の態様では、有効分離粒径を５０ｋＤにするために適当な揚力／抗力比でのカットオフ分子量が２００ｋＤの濾材を使用する初期剪断分離プロトコルを初期乳清製品透過物に加え、免疫グロブリン／ラクトフェリン／ラクトペルオキシダーゼ／ウシ由来アルブミンを除去した透過物を形成する。
免疫グロブリン／ラクトフェリン／ラクトペルオキシダーゼ／ウシ由来アルブミンを除去した透過物を１００ｋＤフィルタを通して再循環し、有効分離粒径を２０ｋＤにするために揚力を低下させ及び／又は透過流の流れを増大した状態で剪断分離を再び加え、β−ラクトグロブリン分が高い残留物及びβ−ラクトグロブリンを除去した透過物を形成する。β−ラクトグロブリンを除去した透過物を同じフィルタを通して再循環し、有効分離粒径を１０ｋＤにするために揚力を低下させ及び／又は透過流の流れを増大した状態で剪断分離を再び加え、α−ラクトアルブミン分が高い残留物及びα−ラクトアルブミンを除去した透過物（脂肪分及び蛋白質を含まない乳固形分を含む）を形成する。
例５
この例は、遺伝子組み換え動物の乳汁からの組み換え蛋白質の濃縮を示す。詳細には、一つのフィルタを使用し、組み換えα−抗トリプシン（αＡＴ）、約５１ｋＤの蛋白質を乳汁から分離する。アーキバルド等のProc. Nat. Acad. Sci. USA, 87(13), 5178-82(1990)を参照されたい。
先ず最初に、遺伝子組み換え動物から得られたαＡＴを含む生乳を処理し、乳血清（即ち、脂肪分、細菌、及びミセルカゼインを含まない）を形成する。αＡＴを含む乳血清にカットオフ分子量が約１００ｋＤの膜を使用して本発明によるダイナミック濾過を加える。第１濾過工程は、適当に高い剪断速度及び低い透過流量状態を使用し、αＡＴよりも小さな粒子（例えば、第１透過物は、β−ラクトグロブリン（二量体形態で約３５ｋＤ）及びα−ラクトアルブミン（約１５ｋＤ））の大部分を膜を通して引き出すと同時に、αＡＴ及びこれよりも大径の粒子を膜の上流の残留物中に保持する。透過物を透過物収集チャンバ内に収集し、残留物を残留物収集チャンバ内に収集する。その後、同じ膜を使用して本発明の方法によるダイナミック濾過を残留物に再度加える。第２濾過中に粒子に作用する揚力を（例えば剪断速度を僅かに減少することによって及び／又は透過速度を高くすることによって）、αＡＴの大部分が膜を通して引き出されるように適当に減少するが、αＡＴよりも大きな粒子（例えば、免疫グロブリン、（約１５０ｋＤ乃至９００ｋＤ）、ラクトフェリン及びラクトペルオキシダーゼ（各々約７５ｋＤ）、及び血清アルブミン（約６０ｋＤ））を膜の上流の残留物中に保持するのに十分高く維持する。第２透過物は、初期プロセス流体と比較して、αＡＴをかなり高い濃度で含み、他の乳汁成分をかなり低い濃度で含み、第１透過物を収容した透過物収集チャンバ以外の透過物収集チャンバ内に収容する。
例６
この例は、平滑な濾材が、強く乱流の少ない濾過用剪断境界層（濾過寿命を延ばすことができる）を形成することを示す。詳細には、支持されていない膜の平滑側（即ち流延側（cast side））を、プロセス流体と接触した上流に面するように置くことの効果を、同じ支持されていない膜の粗側（即ち流延側の反対側）を、プロセス流体と接触した上流に面するように置くことと比較して評価する。
同じバッチ即ち同じロールのナイロン膜から得られた、孔径等級が０．８μｍの２枚の支持されていないナイロン膜の各々を、ポール社のＬＡＢ６ダイナミック濾過装置に、膜の配向だけが異なるように、即ち平滑側又は粗側のいずれかが上流に面するように取り付ける。これらの濾過装置の各々に、共通の供給タンク及び共通のポンプで乳汁を供給する。両装置で、流れ崩壊試験（flow decay test）を平行して実施する。この試験では、短い始動期間中に透過速度を４００ｍｌ／分に上昇し、回転数を２１００ｒｐｍまで上昇する。供給圧力及びバルブ設定は、両装置でほぼ一定に維持され、透過流は、何らかの汚損が生じることによって崩壊する。以下の表は、実験結果を概略に示すものである。
0004509224.tif 000003
上記表中の結果に示されているように、平滑側を上流側にした場合の透過流の流量よりも、粗側を上流側にした場合の透過流の流量の方が、大幅にかつ急速に衰える。特に、５８分（約１時間）以内の場合には、観察された最大透過流の僅か６０％になるのに対し、膜の平滑側が上流に面する場合には、観察された最大透過流の９０％である。同様に、透過流は、２時間後、３時間後、及び４時間後、膜の粗側が上流に面する場合には、観察された最大透過流の２１％、７％、及び４％まで夫々減少するのに対し、膜の平滑側が上流に面する場合には、観察された最大透過流の８３％、７２％、及び６６％まで夫々減少する。これらのデータは、平滑な濾材が、強く乱流の少ない濾過用剪断境界層を形成するということを示す。
本明細書中で引用した、特許、特許出願、及び刊行物を含む全ての文献は、それらの文献に触れたことにより、開示されている内容の全てが本明細書中に組入れたものとする。
本明細書を好ましい実施例に基づいて説明したが、好ましい実施例の様々な変更を使用でき、本発明は、本明細書中に特定的に説明した以外の方法で実施できるということは当業者には理解されよう。従って、本発明には、以下の請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲の全ての変更が含まれる。
【図１】
0004509224.tif 000004
【図３】
0004509224.tif 000005
【図２ａ】
0004509224.tif 000006
【図２ｂ】
0004509224.tif 000007
【図２ｃ】
0004509224.tif 000008
【図４】
0004509224.tif 000009
【図５】
0004509224.tif 000010
【図６ａ】
0004509224.tif 000011
【図６ｂ】
0004509224.tif 000012