JPH0683778B2 - 流体成分の拡散制御装置 - Google Patents

流体成分の拡散制御装置

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JPH0683778B2
JPH0683778B2 JP60118984A JP11898485A JPH0683778B2 JP H0683778 B2 JPH0683778 B2 JP H0683778B2 JP 60118984 A JP60118984 A JP 60118984A JP 11898485 A JP11898485 A JP 11898485A JP H0683778 B2 JPH0683778 B2 JP H0683778B2
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
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    • B01D63/06—Tubular membrane modules
    • B01D63/066—Tubular membrane modules with a porous block having membrane coated passages
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は流体相の成分の選択的な分離または混合に用い
る装置に関する。本発明は流体成分のそうした分離また
は混合の連続的処理に用いるのに特に適している。制御
は流体またはその成分を以下に詳しく説明する特定のタ
イプの多孔質セラミック体を通して拡散させることによ
って達成される。
〔従来の技術とその問題点〕
多くのタイプの連続化学処理およびその他の工学的操作
において流体の流れの成分を分離する必要性は非常に普
通の事項である。最も普通の手法の１つは分離すべき流
れの異種成分について実質的に異なる透過特性を有する
重合体材料からなる半透膜を用いることである。透過性
の相違は半透膜の成分と流体の成分の間の物理的または
化学的な相互作用に基づくことができる。最も普通に
は、それは半透膜中の細孔の存在に単純に基づくもので
あり、その細孔が流体の比較的小さい分子または粒子を
有する１成分の通過を許容するがより大きい分子または
粒子を有する別の成分を有効に阻止する。
実際に、商業的に重要な大部分の分離はむしろ径が小さ
い細孔を有する膜を要求する。細孔径が小さいと、それ
に対応して、そこを通過する最も速い成分でも拡散速度
は遅い。流体の圧力を増加すれば拡散速度を増加し得る
が、そのためには膜の圧縮、変形、破壊を防止するため
に膜が圧力に耐える機械的強度を有する必要がある。こ
うした膜の機械的強度は、通常、膜の厚みを増せば得ら
れるが、それは拡散速度を低減するので、少なくとも部
分的に自滅的である。
高圧の使用はある種の流体、特に、生物学的流体、例え
ば血液では実際的ではない。圧力は細胞組織を損傷する
ことがある。生物学的流体でなくても、多くの普通のラ
テックスポリマーのようなコロイド懸濁液でも、加圧に
よって類似の損傷を被ることがある。
過去に、流体成分の分離、主として、流体中の微細固体
成分を除去する過処理に多孔質セラミックスが用いら
れたことがある。セラミックフィルターは、破壊され易
いこと、ならびに厳密に制御された細孔径を有するセラ
ミック薄膜を作成することが困難であるために、通常、
重合体膜よりも厚く作成されなければならない。従っ
て、セラミックフィルターは重合体膜よりさらに遅い分
離速度を有する。そのために分離装置にセラミックスを
実際に用いるには限界があった。最近までに、1981年３
月30日出願の仏国特許出願第81-06340号に説明されてい
るように層状セラミックフィルター構造が開示された。
制御された速度で流体中に成分を混合する手段も同様に
産業上および医学上の処理に有用であるが、それらは連
続分離手段ほどには屡々使用されない。
〔発明の概要〕
特定のセラミック粉末を焼結して細孔径が非常に均一で
ありかつ機械的強度が高いセラミック体を提供すること
によって、流体成分の拡散を制御する優れたセラミック
体を製造し得ることを見い出した。好ましくは、少なく
とも２種類の粒径の粉末を用いることによって、比較的
細かい細孔を有する薄い層とより粗い細孔を有する少な
くとも１層のより厚い層とを結合した多層構造を形成す
る。厚い層は機械的強度を提供し、一方、薄い層は適当
な速度の操作を伴なう選択性を提供する。
本発明のセラミック体は、ミクロ分子フラクショネーシ
ョンの液体および気体から粒状物を除去するために最も
普通に用いられる慣用の平坦なシート、単一の管あるい
は中空の繊維と異なる構造にした場合に最も有効に利用
され得る。本発明により開示される製品は一般に長い円
筒状をした単一の分離要素中にここに開示するタイプの
２層の壁を有する複数の円筒状スペースを有する。この
分離要素の１端または両端のマニホールドまたは類似の
装置が入口および出口の流体の導入および回収をそれぞ
れ行なう。
こうして、本発明によれば、１つの流体の選ばれた成分
の他の流体への拡散を制御する装置であって、（ａ）少
なくとも１つの第１中空流路と１つの第２中空流路を有
する多孔質セラミック体であって、第１および第２中空
流路が夫々多孔質セラミック体を貫通し、かつ第１およ
び第２中空流路間を多孔質セラミック体の細孔を通って
流体が流れる連続的曲路を有する多孔質セラミック体
と、（ｂ）第１の中空流路の１端に少なくとも２種の異
種化学成分を有する第１流体を連続的に導入する手段
と、（ｃ）第２中空流路の１端に第２流体を連続的に導
入する手段と、（ｄ）第１および第２中空流路間の上記
多孔質セラミック体の細孔を通る流体の流れの全部を横
切って延在し、かつ充分に小寸法の孔径の細孔を有する
ので上記第１流体の１成分がその帯域を上記第１流体の
他の少なくとも１成分より実質的に迅速に拡散する、多
孔質セラミック体の少なくとも１つの第１帯域と、
（ｅ）第１中空流路の第１流体の導入端と反対の端か
ら、第１流体の最も迅速な拡散成分が第１流体に関して
減少した第３流体を回収する手段と、（ｆ）第２中空流
路の第２流体の導入端と反対の端から、第１流体の最も
迅速な拡散成分が第２流体に関して増加した第４成分を
回収する手段を具備して成る装置が提供される。
〔好ましい態様の説明〕
本発明の装置は実質的に均一な細孔径、良好な機械的強
度、耐腐蝕性を有する焼結セラミック材料で構成される
ことが好ましい。広範囲の公知のセラミック粉末、例え
ば、アルミニウム、珪素、ジルコニウム、チタン、クロ
ムもしくはマグネシウムの酸化物；珪素、チタンもしく
はタングステンの炭化物；またはコージェライト、ムラ
イト等のような天然鉱物はこの装置を構成するのに適当
である。これらの構造物も同様に使用できる。
異なる多孔度を有する多層セラミックスからなる多孔管
セラミック管の製造方法は1983年11月９日出願の米国特
許出願第06/550,746号に記載されており、その内容はこ
こに参照する。
拡散制御要素が厚みは大きいほどその要素を通る透過速
度は遅くなるであろう。従って、厚みは適当な強度と耐
久性を満たす範囲内でできるだけ小さく保つことが経済
的に望ましい。拡散制御要素の壁全体が均一な孔径の細
孔を有するならば壁の厚さは少なくとも１μｍ必要であ
り、アルミナが好ましいセラミックである。
本発明の操作は図面を参照すれば更に理解される。第１
図および第２図は全体を参照数字20で示す流体成分の連
続分離に適した本発明の現在のところ好ましい態様を示
す。複数の流路24が要素20の長手方向を貫通して延びて
いる。各々の流路24は細かい細孔径のセラミック薄層28
による壁を有し、その周りはより粗い細孔径のセラミッ
ク層26で包囲されている。要素の長手方向をより大きい
中央流路22が貫通して延在する。第２図の場合、微細な
細孔層と粗な細孔層26からなる２層構造である。この特
別の態様において、中央円筒状スペース22は微細な細孔
層で内張りしない。これは分離手段としてよりも透過液
回収用に用いるからである。この層は必要であれば装置
の全表面に存在することができる。
態様20の寸法はかなりの程度変化し得ることが認められ
よう。層28および層26の多孔度は焼結に適当なセラミッ
ク粉末を用いて主として約0.01μｍ〜20μｍ以上の範囲
内の細孔を有するようにそれぞれ別に制御することが可
能である。典型的には、細孔の体積はこれらの層の全体
積の35〜55％であり、一般的に細孔の少なくとも95％が
連通して曲りくねった流路を形成している。大部分の応
用では、現在のところ、装置20は直径約2mm〜20mm、中
央流路22は直径約0.5〜10mm、周辺流路24は直径約0.2〜
5mm（2mmを越えないことが最も好ましい）を有すること
が好ましい。層28は通常１〜15μｍの厚みを有するであ
ろう。細孔間のスペースは0.1〜2mmであるように制御さ
れるべきである。セラミック焼結技術によって定まる限
界の範囲内のすべての便宜の長さを用いることができ、
現在の経験では1mが大略の上限である。
通常の実施では、要素20は第３図および第４図に示す他
の器具と共に用いる。要素20を包囲する流体不透過性ハ
ウジング30と共に末端蓋34a,34bおよび弾性接続部材38
が分離すべき流体の散逸を防ぐ。有利には、必要に応じ
て用いるマニホールド40aを介して複数の流路24に流体
を導入する。マニホールド40aは対応する複数の供給管4
2aを有し、それが末端蓋34aの各開口部44を貫通して、
次に弾性接続部材38の夫々の末端に挿入されている。開
口部44にはＯリング46を設けて流体濡出に対してシール
することが有利である。マニホールド40aにコネクタ48a
を取り付けてマニホールドを図示されていない流体供給
源に接続する。末端蓋34はセラミック要素20から僅かに
離して置き、セラミック要素20はスペーサ36を用いてハ
ウジング32内の適当な位置に配置する。コネクタ50a,50
bは、セラミック要素20の中央流路22、およびセラミッ
ク要素20とハウジング32の間のスペース52を含む接続ス
ペースに接近する。
要素20と共に用いる補助的構成物は、全部、輸送すべき
流体に関して化学的に不活性である流体不透過性材料で
構成すべきである。
第１〜４図に示した本発明の態様はいろいろな途に用い
ることができる。最も簡単なものの１つは、流体Ｆから
成分Ａを分離する方法であり、この場合成分Ａは微細孔
セラミック中を流体Ｆの他のすべての成分より迅速に拡
散する。流体Ｆはコネクタ48aを介してマニホールド40a
そしてそれからセラミック要素20の流路24に導入するこ
とができる。コネクタ50aはシールされるだろう。コネ
クタ50bを介して真空を維持するか、あるいは流体Ｆを
大気圧より大きい圧力でコネクタ48aに導入する。いず
れの場合にも、流体Ｆは装置を通過することによって成
分Ａが減少（涸渇）した流れFdと成分Ａが増加した流れ
Feに分離する。流れFdはコネクタ48bを介して、そして
流れFeはコネクタ50bを介して取り出すことができる。
態様30を用いるさらに複雑な処理は当業者には容易に考
えることができる。例えば、第２流体Ｇをコネクタ50b
に導入し、流体Ｆを前のようにコネクタ48aに導入する
ことができる。流体は要素中を向流的に流れるので、成
分Ａは流体Ｇ中に拡散する。従って、出口流れはFd（Ｆ
の変化は前のように成分Ａの減少（涸渇）である）とGe
（Ｇの変化は成分Ａの増加である）からなり、コネクタ
50aから取り出すことができる。
態様30を流体成分の向流交換に用いる特に実際的な例は
血液の人工酸素飽和であり、その方法はある種の医学処
理の重要な部分として知られている。この目的のため
に、酸素をコネクタ48aから導入し、二酸化炭素分圧が
高いが酸素を殆んど含んでいない血液をコネクタ50bか
ら導入する。この処理は血液と酸素の流体の流れの間の
圧力差は僅かであるか実質的にゼロでも達成される。と
いうのは複合構造28/26の両側の酸素と二酸化炭素の分
圧の差が交換を起こすのに充分な駆動力を提供するから
である。
このような態様30の典型的な使用例は組織培養、細胞増
殖、細胞採取、細胞分画および細胞再循環等であり、栄
養素が微細孔層を通って拡散する。
第１〜４図に示したタイプの複数の態様を直列あるいは
並列に結合して、分離の精度を高めたり、あるいは同じ
分離精度を保って流体の流れの量を増加することができ
ることは当業者には容易に認められよう。また連続する
複数の態様において同じタイプまたは同じ精度の分離を
行なう必要はない。例えば、第１の態様30で真空を用い
て血液から二酸化炭素を除去し、そのガスを抜いた血液
に別のそうした態様30で酸素を導入することができる。
このようにして、二酸化炭素と酸素の量を別々に制御す
ることが可能である。このような別々の制御は単一の態
様でこれら２つのガスを向流させることによっては可能
ではないであろう。
20の形の特別の態様の利点の１つは２つの流体の流れの
間の接触表面積が大きいことである。もう１つの利点は
要素全体の形状が管状であるために壁の厚みが比較的小
さい場合にも良好な機械的強度を与えることである。
同様に本発明の多くの異なる態様が可能である。例え
ば、第５図は２つのグループの流路124,125をセラミッ
ク基材126,127のそれぞれの中に設けた、全体を120で示
した態様を示す。セラミック基材126,127と区別され別
の領域128が２つのグループの流路を分離する。領域12
6,127,128の孔径は全部独立に変えることができ、２つ
のグループの流路の径と中央流路122の径も同様に変え
ることができる。120の形の態様には３種あるいはそれ
以上の異なる流体の流れを導入することができる。第６
図はどちらも円筒形でも軸状でもない２つの流路223,22
4を有する態様220を示す。
態様220には態様20に設ける独立のハウジングに代えて
非多孔性セラミック被覆層60が設けられている。第６図
には示されていないが微細孔を有するセラミック薄膜を
流路222,223の壁の最も内側の部分に設けることができ
る。適当な流体コネクタを用いることによって、これら
２つの流路の間の向流を実現することができ、また両方
の流路に単一の流体を導入して態様220の多孔質本体を
通過した後に透過液を末端で回収することもできる。第
７図および第８図にさらに別の変形を示す。この装置は
第１〜４図の態様20によく似ているが、中央流路322が
周辺流路324の末端を越えて延在している。このような
形状は適当なガスケットを用いることによって流路322
中の流体を流路324中の流体から分離するのに有益であ
る。本発明の態様は流路中の「デッドゾーン」の存在を
最小限化するような螺旋流あるいはその他の流路を有す
るように構成することができる。本発明が以上に述べた
と異なる形で実施し得ることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の範囲内の多孔質セラミック要素の現在
好ましい態様の一部の破断斜視図、 第２図は第１図の線分2-2で切った長手方向拡大断面
図、 第３図は第１および２図に示したような分離要素と共に
ハウジングならびに分離要素を連続処理流に接続するパ
イプ系を結合した装置の斜視図、 第４図は第３図の線分4-4に沿う第３図の装置の長手方
向断面図、 第5,6,8図は本発明のその他の態様の断面図、そして第
７図は第８図に断面図で示した態様の斜視図である。 20…分離要素、22…中央流路、24…周辺流路、26…粗孔
セラミック層、28…細孔セラミック層、30…装置、32…
ハウジング、34a,34b…末端蓋、38…弾性接続部材、40
a,40b…マニホールド、42a,42b…供給管、44…開口部、
46…Ｏリング、48a,48b,50a,50b…コネクタ、52…スペ
ース、120…要素、122…中央流路、124,125…流路、12
6,127…セラミック基材層、128…セラミック領域、220
…要素、222,223…流路、60…非多孔質セラミック被覆
層、320…要素、322…中央流路、324…周辺流路、329…
突出部。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】１つの流体の選ばれた成分の他の流体への
    拡散を制御する装置であって、 （ａ）少なくとも１つの第１中空流路と１つの第２中空
    流路を有する多孔質セラミック体であって、該第１およ
    び第２中空流路が夫々該多孔質セラミック体を貫通し、
    かつ該第１および第２中空流路間を該多孔質セラミック
    体の細孔を通って流体が流れる連続的曲路を有する多孔
    質セラミック体と、 （ｂ）上記第１の中空流路の１端に少なくとも２種の異
    種化学成分を有する第１流体を連続的に導入する手段
    と、 （ｃ）上記第２中空流路の１端に第２流体を連続的に導
    入する手段と、 （ｄ）上記第１および第２中空流路間の上記多孔質セラ
    ミック体の細孔を通る流体の流れの全部を横切って延在
    し、かつ充分に小寸法の孔径の細孔を有するので上記第
    １流体の１成分がその帯域を上記第１流体の他の少なく
    とも１成分より実質的に迅速に拡散する、上記多孔質セ
    ラミック体の少なくとも１つの第１帯域と、 （ｅ）上記第１中空流路の上記第１流体の導入端と反対
    の端から、該第１流体の最も迅速な拡散成分が該第１流
    体に関して減少した第３流体を回収する手段と、 （ｆ）上記第２中空流路の上記第２流体の導入端と反対
    の端から、上記第１流体の最も迅速な拡散成分が該第２
    流体に関して増加した第４成分を回収する手段を具備し
    て成る装置。
  2. 【請求項２】複数の前記第１中空流路が単一の前記中空
    流路の周辺に配置されて成る特許請求の範囲第１項記載
    の装置。
  3. 【請求項３】複数の前記第１中空流路が複数の前記第２
    中空流路の周辺に配置されて成る特許請求の範囲第１項
    記載の装置。
  4. 【請求項４】前記第１および第２中空流路および前記多
    孔質セラミック体の形状が実質的に円筒状である特許請
    求の範囲第３項記載の装置。
  5. 【請求項５】前記第１および第２中空流路および前記多
    孔質セラミック体の形状が実質的に円筒状である特許請
    求の範囲第４項記載の装置。
  6. 【請求項６】第１および第２流体を連続的に導入する前
    記手段が、前記第１および第２中空流路にそれぞれ接続
    された複数の供給チューブを有するマニホールドを含ん
    でなる特許請求の範囲第１項記載の装置。
JP60118984A 1984-06-04 1985-06-03 流体成分の拡散制御装置 Expired - Lifetime JPH0683778B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US61721884A 1984-06-04 1984-06-04
US617218 1984-06-04

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Publication Number Publication Date
JPS6118405A JPS6118405A (ja) 1986-01-27
JPH0683778B2 true JPH0683778B2 (ja) 1994-10-26

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60118984A Expired - Lifetime JPH0683778B2 (ja) 1984-06-04 1985-06-03 流体成分の拡散制御装置

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DE (1) DE3519620A1 (ja)
FR (1) FR2565122B1 (ja)
GB (1) GB2159729B (ja)

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