(57)【要約】【課題】      平膜を用いた膜分離モジュールにおいて孔拡散の特徴（孔の目詰りがない）と濾過の特徴（被処理液量の減少と物質の膜透過速度の任意設定の可能性）とを共々持つ孔拡散・濾過法を実現し、かつ（被処理液中に混在する）粗大粒子による目詰りを効率的に防止するモジュールを提供する。【解決方法】（１）  平膜として多段多層構造膜を用い被処理液側に平均孔径のより大きな多層構造膜を順次設定し（２）膜平面を垂直に設定し、（３）被処理液側には３個以上の液流出入口を持ち（４）拡散液側には２個以上の流出入口を設け、かつ（５）被処理液側の充填液量が拡散液側の充填液量を大きくした膜分離モジュール。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平膜を装着した膜分離モジュールにおいて、（１）多層構造膜を複数枚重ね合せ、（２）この重ね合わせ膜の表面を垂直に設置し、（３）該重ね合せ膜を介して被膜処理液を充頃する側（Ｓ側と略称）の体積をＶｓ，濾過・拡散液側（Ｒ側と略称）の体積をＶｒとするとＶｓ＞Ｖｒとし、（４）Ｓ側には３個以上の流出入口を設け、（５）Ｓ側には水平面に対して傾斜する流路の形成と（６）Ｒ側には重ね合せ膜を支える支持体を設けたことを特徴とする孔拡散・モジュール。
【請求項２】
請求項１において重ね合せる膜の順序としてＳ側に接する膜の平均孔径を最大に順次平均孔径を減少させ、Ｒ側に接する膜の平均孔径を最小にすること、また隣接する膜間の平均孔径は２倍以上ことなり、各膜の空孔率は６５％以上で膜厚は２００μｍ以下であることを特徴とする微粒子除去用孔拡散・モジュール。
【請求項３】
請求項１，２においてモジュールの形状が円筒状であり、Ｓ側にはラセン状の流路をもうけることを特徴とする孔拡散・モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜を利用した孔拡散・濾過法を実現するモジュールに関する。本発明での孔拡散・濾過法とは、膜中に存在する孔（透過型電子顕微鏡で空間部分として観察される部分で、その直径は５ｎｍ以上であるのを孔として定義する）を介して膜間差圧と膜間濃度差を駆動力とした物質移動を利用する方法である。この方法では孔拡散型膜分離の特徴である微粒子の目詰りを極少化し、物質の膜移動速度を孔拡散と濾過との和に近い程度に高めることができる。
【０００２】
本発明中の多段多層構造膜とは複数の多層構造膜を密着することによって一体化され膜を意味する。この膜では膜厚方何に沿った任意の孔径勾配を設計製造することができる。多層構造膜とは、膜の断面の超薄切片を電子顕微鏡で観察した場合に、厚さ約０．１μｍの膜素材の帯状物が膜表面に沿って積層した構造が観察され、膜の平面方向からの観察では網状物の観察される膜である。この膜は一般的にはミクロ相分離法で作製される。空孔率は６０％以上である。
【背景技術】
【０００３】
膜を利用した分離技術をその目的で分類すると（１）除去（２）分離（３）濃縮（４）隔離がある。微粒子の除去の場合には除去機構として膜中の孔によるふるい効果が膜濾過法で利用される。孔拡散法ではこのふるい効果に加えてブラウン運動の活発度の差の効果が加わり、後者の効果分が膜濾過法により優れる。また孔拡散法を利用すれば孔の目詰りが防止され、膜容量が増加することが知られている。（特許文献１）
しかし孔拡散法では被処理液量が処理前後で一定であるという問題点もある。
【０００４】
溶液中に溶解または分散した成分を膜分離する方法として電子顕微鏡では明確な孔の存在が認められない限外濾過膜や透析膜、拡散透析膜が用いられる。しかし５ｎｍ以上の孔の存在が確認できるいわゆる多孔膜では溶解成分の濾過法での分離は困難であるが、孔拡散法ではこの分離は容易である。孔拡散法での物質の輸送の駆動力は濃度勾配であるので膜を支持するための支持体は必要ないので、孔拡散法のモジュールは濾過法に比較して単純である。
【０００５】
孔拡散の特徴（孔の目詰りが極少化できる）と濾過の特徴（被処理液量を減少させ膜の物質透過速度を大きくできる）を生かした方法として孔拡散・濾過法が開発されつつある。この方法では、使用される膜の平均孔径に匹敵する大きさを持つ微粒子の孔中の拡散速度が濾過による該微粒子の膜透過速度より大きい条件で、孔拡散を実施する。この方法を実施するのに最適なモジュールは現在まで明らかではない。
【０００６】
孔拡散・濾過法では膜間差圧と膜間濃度差との二種の駆動力を有効に利用可能となるため、膜濃縮や膜隔離を効率的に行うことができる。膜を利用した分離技術の前述の4種の目的を達成することを多種の被処理液へ適用させるには、利用する膜の孔構造を目的ごと、被処理液ごとに設定することが必要である。そのために本発明では膜厚方向での孔構造の傾斜構造を平均孔径を異にする平膜を複数枚密着した状態で重ね合せる多段膜を採用する。
【０００７】
目詰りの進行を遅らせるため、膜濾過法では（１）膜の構造として多層構造膜とする（特許文献２）（２）膜の表裏面の孔径を変化させ、濾過方向を孔径の大きい側から小さい側へとする（特許文献３）（３）平均孔径の大きな膜を用いて前濾過した後に本濾過を実施する（特許文献4）（４）膜内部にバイパス用の大きな孔を持たせて、多層体を構成する膜のすべてを濾過に有効に利用する方法（特許文献５）が提案されている。孔拡散・濾過法について微粒子除去を目的とした場合には孔拡散の寄与により目詰りの進行は大幅に減少するが粒径が膜の平均孔径より大幅に大きい粒子（例えば平均孔径の5倍より大きい粒子）が混在する場合には濾過による物質移動が混在するために孔の目詰りは進行する。
【０００８】
孔拡散・濾過法の操作上の特徴は（Ａ）膜間差圧が指定された値以下であり、（Ｂ）物質移動の駆動力である特定成分の濃度勾配が膜を介して存在すること、（Ｃ）膜を介して一方には被処理液があり、他方には外系から水または特定成分を溶解した溶液が供給されている点にある。上記に（Ａ）、（Ｂ），（Ｃ）を満足する膜モジュールは現存しない。
【特許文献１】特許文献２００６−０５５７８０号「平均孔拡散分離機」
【特許文献２】特許公告平成４−５００５４号「高分子多孔膜中空糸及びそれを利用したウイルス除去法」
【特許文献３】特許公告平成２−５７９８２号「再生セルロース中空糸膜」
【特許文献４】特許公開平成３−１４６０６７号「血漿濾過方法」
【特許文献５】特許公表２００４−５００２２９号「フィルター及び流体の濾過方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
孔拡散法モジュールが持つ特徴すなわち（１）微粒子による孔の目詰りがない（２）微粒子除去機構として粒子径と孔径との関係で定まるふるい効果と粒子のブラウン運動の活発度の粒子径依存性効果との２効果のために濾過の場合よりもより高い除去性能を示す。
（３）孔径の大きい孔に流れが集中する効果は濾過に比較して少ないため、微粒子除去性能の孔径分布依存性が濾過に較べて小さい（４）膜内部への孔内での高分子物質（タンパクなど）の濃縮による目詰りがない特徴を保持するモジュールを提供する。
【００１０】
濾過法モジュールに比較して孔拡散法モジュールでは以下の欠点を持つ。すなわち物質の膜中での輸送速度が小さい、拡散液側（回収液側）での目的物質の濃度が低い、被処理液の体積量が少ない。この欠点を解消するモジュールを提供する。
【００１１】
溶解中には種々の大きさを持つ粒子が溶解あるいは分散している。例えばタンパク水溶液中にはタンパク分子単独で分子状溶解した成分、複数の分子で構成される会合体分子、異物等を核にした凝集分子あるいは異種粒子（プリオンやウイルス等の微生物）、無機系微粒子等が混在している。雑多な微粒子を含む溶液中からこれらの微粒子をほぼ完全に除去可能でかつ孔の目詰りの進行の遅い膜モジュールを提供する
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では平膜を用いることにより膜モジュールに多様性をもたせることが可能である。すなわち平膜では多数枚の膜を密着させて積み重ねることが可能であるし、また膜間差圧（△Ｐ）、膜間濃度差（△Ｃ）等を加えて種々の物質輸送の駆動力を与えることができる。本発明モジュールで利用する平膜としては多層構造膜を複数重ね合わせ作製される多段多層構造膜を用いることに特徴がある。被処理液中にタンパク質が含まれている場合には多段多層構造膜の素材高分子としては再生セルロースが望ましい。
【００１３】
多層構造膜の重ね合せの順番は、処理液に接する側に平均孔径の最も大きな多層構造膜を以下順次に平均孔径を小さくする。平均孔径の最も小さな多層構造膜は拡散液側に接するように重ねる。除去すべき微粒子の最小径と拡散液側に接する多層構造膜の平均孔径と一致させるのが粒子除去能を高くかつ有益物質の回収率を高め濾過溶量を最大化するのに望ましい。また隣接する多層構造膜の平均孔径は２倍以上ことなり、各膜の空孔率は６５％以上で膜厚は２００μｍ以下にすることにより処理対象となる溶液の清浄度に関係なく適用可能となる。
【００１４】
本発明モジュールの最大の特徴は平膜の表面を垂直に設置した点にある。該表面を垂直に設置した状態下で孔拡散・濾過が行われるような状態で本発明モジュールは使用される。多段多層構造膜を用いてγーグログリン水溶液を濾過した場合に該膜の表面を水平にした状態と垂直にした状態での濾過を比較すると後者の場合の方が前者の場合の約２倍程度処理出来ることを発見して本発明に至った。濾過後に膜表面を観察した結果、水平にした状態の場合には膜表面全体にタンパクの濃厚液が残留し、垂直にした場合には下部の膜表面のみにタンパクの濃厚液が残存していた。垂直にすることによって目詰りの原因となる大粒子成分が重力加速度の影響と膜表面でさらに大粒子となる効果によって沈降していることが明らかになり本発明に至った。本発明中での垂直とは平膜の表面が厳密に垂直であることを意味するものではなく垂直の際に生じる効果が実質的に起る角度であり、垂直±４５°程度の傾きの範囲を意味している。
【００１５】
本発明のモジュールの第３の特徴は膜を介した２種の空間の体積比にある。すなわち該重ね合せ膜を介して該モジュール被膜処理液を充填する側（Ｓ側と略称）の体積をＶｓ濾液・拡散液側（Ｒ側と略称）の体積をＶＲとすると体積比Ｖｓ／ＶＲ＞１を満足するように設計した点に特徴がある。該体積比を大きくすることにより拡散液側の回収すべき成分の濃度が高まる。孔拡散・濾過法で該体積比を大きくしすぎると膜中の孔内に高分子量成分が帯留し、硬塞型の目詰りが起る可能性も出てくるので、その場合には拡散液を流す速度を大きくする必要がある。
【００１６】
本発明モジュールの第４の特徴はＳ側には３個以上の流体の流出入口を設けた点にある。濾過法あるいは孔拡散法では流出入口は２個で十分であるが平膜の表面を垂直にした本発明モジュールの機能を継続的に維持するためには３個以上の流体の流出入口が不可欠である。２個の流出入口は被処理液の入口、出口として使用される。液体中に溶解または分散している気体成分を除去する目的を加えても２個の流出入口があれば十分である。３個目以降の流出入口はモジュールの下部に設ける。下部に設けられた流出入口の役割が大きな粒子成分を採取または貯めるために利用する。
【００１７】
本発明モジュールの第５の特徴はＳ側には水平面に対して傾斜する流路を形成している点である。被処理液体はこの回路に沿って下部から上部へと膜面に接しつつ流れる。流れる過程において大粒子は膜面から離れる傾向を示し、傾斜する流路に沿ってモジュールの下部に凝集し、沈殿する。そのため大粒子による孔の目詰りが防止され、処理可能な液量が増加する。さらにモジュールの形状を円筒状にして、Ｓ側にラセン状の流路で下部から上部へと流れる回路を設けることによって液体に遠心力を発生させることが可能となる。遠心力によって大粒子など膜面から遠ざかり、大粒子による孔の目詰りが防止され、大粒子はモジュール下部の外筒部附近の流入口より外系へ取り出すことが可能となる。
【００１８】
本発明モジュールの最重要な点は孔拡散・濾過モジュールである点である。孔拡散と濾過とが同時に実施できるモジュールである。このモジュールでは被処理液に加えて拡散液が膜を介して存在できる構造物であり、孔拡散が起る膜を装着していることが前提である。孔拡散が起る膜は平均孔径５ｎｍ以上、空孔率は３０％以上である。孔拡散が支配的な条件下で濾過を実施させるには膜間差圧△Ｐに制限がある。すなわち膜厚ｄ、被処理液の粘度ηおよび多段多層構造膜としての平均孔半径ｒｆとすると△Ｐは次式で与えられる。
△Ｐ≦２×１０５×Ｄ×ｄ・η／ｒｆ２                （１）
【００１９】
ここでＤは平均孔径に匹敵する大きさを持つ粒子の拡散係数である。ＤはＳｔｏｋｅｓ−Ｅｉｎｓｔｅｖｎの式（２）式で与えられる。
Ｄ＝ＫＴ／６πηｒｆ                              （２）
Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対過度である。
【００２０】
（１）式で与えられる膜間差圧△Ｐを支えるための支持体をＲ側に設けなくてはならない。この支持体としては一般的には再生セルロース不織布で十分であるが、平均孔径が小さい場合にはさらに力学的性質の優れたポリカポネード製支持体を用いる。支持体として疎水性の不織布（例えばポリエステル製の不織布）を用い、多段多層構造膜と組み合わせてプリーツ状に折り曲げて円筒状のモジュールに仕上げることも可能である。
【００２１】
本発明中、膜の平均孔径は純水の濾過速度法で測定される。すなわち、膜の平均孔径（２ｒｆ）は（３）式で与えられる。
（２ｒｆ）＝（純水の粘度）×（膜厚）×（濾過速度）／｛（膜間差圧）×（空孔率）｝  （３）
ここで濾過速度は一平方メートルの膜面積当りの純水の濾過速度でｍｌ／分の単位で測定され、膜厚はμｍの単位、粘度はセンチボイズ、膜間差圧はｍｍＨｇとなる。空孔率は（４）式で与えられる。
空孔率＝（１−膜の見掛け密度／素材高分子の密度）
膜の見掛け密度は（膜の重量／（膜の面積×膜厚））で算出される。素材高分子の密度は空孔率０％時の膜の密度でこれはすでに文献で与えられている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明モジュールによって孔拡散・濾過法の特徴が発揮できる。すなわち孔拡散の長所を維持しつつ濾過の特徴を持つ、具体的には孔の目詰りが極少化し、単位膜面積の処理量が増加し、かつ適用可能な処理液が多様化する。そのため処理液の前濾過も必要なくなる。溶液中に分散している大粒子成分の濃縮回収も可能となる。
【００２３】
本発明モジュールにより微粒子除去性能は濾過単独より優れ、膜の物質輸送速度は通常の濾過や孔拡散の場合より大きい。また処理液量は孔拡散の場合と異なり本モジュールにより減少させることも可能である。多段多層構造膜は平膜の積み重ねで実現でき、いわば多段での孔拡散・濾過が小さなモジュール内で実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１に本発明モジュールの一つである円筒モジュールを示す。図１はモジュールの縦断面図、図２は立面図、図３は図１のＡ―Ａ´面での断面図、図４は円筒４の回りに装着されたプリーツ状の平膜３の回りにラセン状の流路を確保するためのつる巻きバネ１０を示す。本モジュールは円筒４、外筒２、多段多層構造膜３、スプリング状回路１０、上下に外筒２にねじで密着させるふた部１で構成される。
【００２５】
平膜３は平均孔径３００ｎｍの再生セルロース多層構造膜（膜厚５０μｍ）、平均孔径８０ｎｍの再生セルロース多層構造膜（膜厚５０μｍ）および平均孔径２０ｎｍの再生セルロース多層構造膜（膜厚５０μｍ）の３種の膜をこの順に密着させる。平均孔径２０ｎｍの多層構造膜に再生セルロース不織布（目付け１００ｇ／ｍ２）を密着させて３ｃｍの幅で湿熱加熱下でプリーツ状に平膜を成型するこの平膜を設置具で内筒４に放射状に巻きつける。
【００２６】
外筒２（ポリカボネード製）には接線方向から被処理液が流入および流出する２個の流出入口９をそなえている。ふた部１と外筒２とはねじで締め付けられる。外筒２とプリーツ部３とは樹脂Ｐによって拡散液（実線矢印）と分離されている。２個のふた部はＯ―リング８によって外系と隔離されまた拡散液（実線矢印）も外系へもれることも防止されている。ふた１部には２個の出入口６を有する。出入口６は拡散液の流出入口であり、流入１１と流出１２とは流出方向が定まっている。流入口１３側の出入口は外筒２の内壁部近傍で円周方向に位置し、流出口７は処理液中の大粒子成分を回収する。流出口１４側の出入口７は外筒２内で発生する気相を系外へ除去する役割を持つ。外筒には処理液に対して２個の流出入口９がある。下部の９は処理液の入口、上部の９は処理係の液の出口である。流出入口９からの液体の流れは外筒２の円周方向に向う。
【００２７】
内筒４の内部には中央部付近には拡散液が流入しないように円柱状の柱５が存在し、拡散液は実線矢印の方向に流れる拡散液が内筒４の下部の内部より内筒４の外壁部へ流れるように、内筒４の上部の内筒外壁部より内筒４の内部へ流れるように内筒４に孔を設けている。プリーツ状平膜の内筒４側の空間部体積をできるだけ小さくし、プリーツ状平膜の外側部と外筒２との間の空間部の体積の１／３に設計する。内筒４の上下部はプリーツ状平膜３と外筒２と共とウレタン樹脂で勾埋されている。勾埋後の切断面上にパッキング（Ｏ―リング）８が設置される。
【００２８】
内筒４の外壁部に装着されたプリーツ状平膜３と外筒２の内壁部との間にラセン状の流路を形成するように工夫されている。この工夫は（１）外筒２の内壁部にラセン状の回路を作るか（２）プリーツ状平膜３の外周を取り囲むようにつるまき状のバネ状構造体を図４の１０を加えることによって達成される。
【実施例１】
【００２９】
酢化度５３．５％の酢酸セルロースをアセトンとメタノールの混合液（体積比９：１）に溶解後、塩化カルシウムニ水塩、メタノール、アセトンおよびシクロヘキサノールを混合し、流延用溶液を作製する。この溶液をガラス板上に厚さ２００μｍ〜４００μｍでアプリケータを用いて流延する。流延用溶液組成を変えることによって平均孔径を変化させる。流延後にはアセトンの蒸発に伴なって溶液中にミクロ相分離が生起する。ミクロ相分離後に流延膜をメタノールに浸漬し、酢酸セルロース多層構造膜を作製した。この膜を０．１規定の水酸化ナトリウム水溶液に浸漬し、水洗後アセトン／水系の溶媒で脱水乾燥した。得られた膜は多層構造を持つことを透過型電子顕微鏡で確認した。
【００３０】
作製された多層構造膜より、平均孔径２０．５ｎｍ空孔率８６％膜厚８０μｍの膜の蒸発表面を下側にして、その上に平均孔径７９．６ｎｍ、空孔率８６％、膜厚８２μｍの膜の蒸発表面を密着させて重ねる。さらにその上に平均孔径３００ｎｍ、空孔率８７％膜厚８４μｍの膜の蒸発表面を密着させて多段多層構造膜を作製する。この膜を再生セルロース不織布（日付け１００ｇ／ｍ２）に重ねる。３ｃｍ幅で折りたたみプリーツ状物を作成する。プリーツ状物を直径２ｃｍの内筒に装着させて内筒の両端をふたをしプリーツ状物／内筒／外筒をウレタンモノマー液中に立てて重合させることにより外筒／ウレタン樹脂勾埋プリーツ／内筒物を作成し、両端を切断する。切断面上にＯ―リングを乗せ、直径９ｃｍ長さ４０ｃｍの外筒が用意される。外筒の外壁部にはふた部のメス部の溝に合うようにオス部のねじを有する。
【００３１】
プリーツ状物の外周部にラセン状の回路を作るために内径８．５ｃｍ外径８．９ｃｍのラセン状物をステンレス製パイプ（パイプ径４ｍｍ）を作製し、これをプリーツ状物に樹脂勾埋前にあらかじめかぶせ図１の構成通りに組立てることによりモジュールを作製する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
微粒子除去性（ウイルス除去、プリオン除去、マイコプラズマ除去、酵母除去など）が要求されバイオ医薬品の製造工程でのプロセスフィルターとして利用される。目詰りが極小化されているので食品加工業あるいは分離、精製、除去が要求されている環境産業に利用できる。またタンパク質などの生理活性を持つ物質の分離・精製さらに会合体の濃縮に本発明のモジュールは利用できる。バイオリアクターに直結させることにより効果的な反応と生成物の精製分離が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】円筒型モジュールの縦断面図
【図２】円筒型モジュールの下部からみた立体図
【図３】図１のＡ―Ａ’線での切断面の断面図
【図４】内筒の回りに装着されたプリーツ状の平膜の回りに設定したつる巻きバネ状構造体外観図
【符号の説明】
【００３４】
Ｐ：外筒２，プリーツ状平膜３および内筒４を勾埋する樹脂部
１：外筒２の上下にねじ込みによって設置されるふたで拡散液の流出入口６を持つ
２：円筒状の外筒で処理液の流出入口９を２個有し、処理液中の気体のおよび大粒子成分の出口７を２個有する
３：プリーツ状の平膜で平膜の拡散液側には通常支持体としての不織布を積層している。不織布間には多数の穴を持つ支持板をはさむ。
４：円柱状の筒の上下部に拡散液の流出入口を複数個有する
５：円筒状の栓で円筒４に埋めこまれている
６：ふた１の中央部にある拡散駅の流出入口
７：外筒２より系外への出口
８：ふた１と外筒２とを密着させるためのＯーリング状パッキング
９：外筒２にの設けられた処理液の流出入口、その流出入口を通過する処理液の流れ方向は外筒２の円周方向である
１０：外筒２とプリーツ状平膜３との間に介在するつるまきバネ状のラセン構造体
１１：流入拡散液    １２：流出拡散液    １３：流入処理液    １４：流出処理液
１５：支持体
実線矢印：拡散液の流水方向、破線矢印：処理液の流水方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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