JPH07500529A - 無機ろ過ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 無機ろ過ユニット 技術分野 本発明は、通常膜と呼ばれ無機物質で作られている分離要素を用いた分子又は粒 子の分離技術分野に関する。

本発明の目的は、より厳密には、膜上に一定の圧力を及ぼしている液体培地内に 含まれている分子又は粒子状の種を濃縮、選別又は抽出することを可能にする無 機ろ過ユニットを製造することにある。

本発明の対象物は、極微細ろ過（ナノフィルトレージョン）、超ろ過、微細ろ過 （マイクロフィルトレージョン）、ろ過又は逆浸透の分野で利用すると特に有利 である。

従来技術 現在市販されている無機膜は主として管の形をしている。

無機膜は、内部表面に少な（とも１つの分離層を備えかつ中を循環する液体培地 内に含まれている分子又は粒子の分離を確保するべく適合された性質及び形態を 有する管の形で製造された多孔質支持体から成る。無機膜は、高い機械的強度値 を有ししかも熱及び化学安定性を示すという特徴をもつ。従って、無機膜の安定 性及び性能特性は、その他のカテゴリの膜すなわち有機膜のものに比べはるかに 優れたものである。

しかしながら、無機膜の寿命は有機膜のものよりも長いものの、無機膜の原価は 有機膜に比べ著しく高い、実際、無機膜は、その特定の円筒形状を与えるべく特 殊な工具の使用が関与する、多孔質支持体の製造を必要とするバッチプロセスに よって製造される。さらに、ろ過作業中に圧力が管状支持体を破裂させる傾向を もつことから、多孔質支持体を厚い壁を備えて製造し、このような膜の無欠性を 維持するべく高度の焼結を行う必要がある。

特許ＦＲ−２，０６１、９３４によれば、従来技術として、その上部に配置され た円形断面の互いに平行な第１の流路網を通って液体培地を循環させるための要 素とフィルタ要素を含む無機タイプのろ過ユニットが提案されている。これらの 流路の表面は、流路の内部を循環する液体培地をろ過するため分離層で被覆され ている。多孔質ユニットは、分離層から多孔質支持体の中を通過してろ液を回収 するための円形断面の第２の流路網を含んだフィルタ要素を有するように配置さ れている。′ 前記特許に記載されているろ過ユニットの第１の欠点は、それが大きな交換面積 、小さい水力直径及び単純な構造を有することができないものであるという事実 に関連するものである。小さい水力直径は高い速度勾配ひいては高い摩擦力を得 ることを可能にし、膜の優れた清浄を提供するということが指摘されている。従 って、高性能のユニットを生産するためには、一方では、適切な清浄を得るため に処理すべき流体が中を循環する流路が小さい直径例えば１〜６―−の直径を有 すること、又他方では、ユニット内部のる液の径路ができるかぎり短くかつ均質 になるように、ろ液回収流路の数及び直径は、処理すべき流体が中を循環する流 路のものと同じ位の規模をそれぞれ有することが必要となるだろう。ここで、処 理すべき流体が循環する流路の数が多いと、流路を互いから分離するために同じ 位多くの数の壁が必要になる。失われた交換面積を構成するこれらの分離壁は、 それ以下では単純に漏れ防止を達成するのが困難と思われる充分な厚みを有して いなくてはならない。従って、フィルタ流路の水力直径の減少は、このようなろ 過ユニット内での交換面積の損失及び著しく複雑な構造という結果をもたらす。

前記特許により記述されているろ過ユニットのもう１つの欠点は、その比較的高 い水力抵抗に関するものである。一般に、ろ過表面の圧力損失は、ろ液が多孔質 ユニット内部でそれに沿って通過する径路の平均長さによって左右される。ここ で、このような径路は、一方では、２つの回収流路間の連結壁を避けるべくそれ が垂線に対して傾斜しているため、又他方では、必然的にユニットの内側の透過 物の径路の長さが交換表面の各箇所で変動することを意味する流路の円形断面形 状のため、比較的長いものであると思われる。このようなユニットによって提供 される圧力損失ひいては水力抵抗は、高性能のろ過膜をもつフィルタ要素を得る ことを可能にしてくれるものではない。

発明の説明 本発明の目的は、高いろ過膜をもつろ過ユニットを提供するため、膜の単位体積 あたりのろ過面積が大きく、ろ過面積の水力抵抗が低い無機ろ過ユニットを提案 することにより上述の欠点を克服することにある。

本発明に従った無機ろ過ユニットは、以下のものを含むニー・　液体培地と接触 させられるようになっている少なくとも１枚の分離層で被覆された面を有し、こ の分離層に対し一定の圧力を加える無機剛性多孔質支持体、 ・　分離層に対し加えれらる圧力とほぼ同等の相対する圧力を支持体上に及ぼす カウンタスラスト（返し突き）要素、・　及び、分離層から多孔質支持体を通過 したろ液を回収することを目的とする、分離層から一定の距離のところで多孔質 支持体の中に作られた少なくとも１つのキャビティから成る少なくとも１つの無 機フィルタ要素、 −及び、液体培地の循環のための少なくとも１つの要素。

本発明に従うと、ろ過ユニットにおいて、−多孔質支持体は、互いに及び多孔質 支持体に対して焼結により結合された単数又は複数の層で被覆された平坦面を有 し、−液体要素の循環のための要素は、フィルタ要素の平坦面と共に高さ０．１ 〜３■■好ましくは０．２〜１．５−一の液体シートを規定している。

１つの有利な特徴に従うと、十字形ろ液回収網を形成するべく流路は互いに連絡 している。

好ましくは、カウンタスラスト要素は、それと支持体との間でキャビティを限定 する支持部を介して対抗する圧力を加える。

本発明の特に有利な一実施態様においては、膜は、ろ過すべき液体培地と接触す るようになっている少なくとも１つの分離層が備わりた主要外表面を有し、前記 分離層上に対抗する圧力を加えて相応する分離層から２つの支持体を通過したろ 液を回収することを可能にする相補的多孔質支持体を構成するカウンタスラスト 要素を含んでいる。このような膜は、多孔質支持体のいずれかの側に置かれた２ つの分離層上に液体培地の圧力が加えられるかぎり、圧縮下で作動する。この実 施態様は、低い厚みをもつ多孔質支持体を製造することを可能にする。有利には 、相補的多孔質支持体は、多孔質支持体と同一であり、多孔質支持体に対称的に とりつけられている。

もう１つの有利な実施態様においては、相補的多孔質支持体は多孔質支持体の一 部を成すことができ、かくして膜は、各々分離層を収容できる２つの相対する平 坦面を含む一体型要素の形をとることになる。

本発明に従った膜を構成する多孔質支持体は、平坦な全体形状を有し、従って、 組立て手段を介して接合され、すべきろ過条件に適合された寸法をもつろ過ユニ ットを形成することができる。

本発明の対象物の実施態様を制限的意味のない例として示す添付図面を参考にし ながら、以下の説明によりその他のさまざまな特徴が明らかになることだろう。

図面の簡単な説明 図１は、本発明に基づく無機膜の第１の実施態様の斜視図である。

図２は、図１の実施態様から作り出された２重ろ過膜の構造を示す断面図である 。

図３は、本発明の有利な特徴を示す斜視図である。

発明の最良の実施態様 図１は、固相を含んでいてもいなくてもよいさまざまなタイプの液体培地２の中 に含まれた分子又は粒子の分離又はろ過を確実に行うよう適合された、本発明に 従った無機ろ過ユニット１の第１の実施態様を示す。ろ過ユニット１は、フィル タ要素Ｉ及び、液体培地２が液体シートの形で確実に循環するようにするため要 素■から一定の距離にあり要素Ｉと面する要素■で構成されている。それ自体既 知のあらゆるタイプのものであってよいスペーサ（図示せず）によって構成され ているこの液体シートの高さ上は、０．１〜３−―、好ましくは０．２〜１．５ −一である。フィルタ要素Ｉは、実施すべき分離に適合された移送抵抗をもつ材 料で作られている剛性又は変形不能な特性の多孔質又は透過性の支持体３を含ん でいる。支持体３は、金属酸化物、炭素又は金属などの無機材料で作られている ０本発明に従うと、支持体３内の気孔の相当平均直径は１〜５０マイクロメート ル好ましくは１〜１０マイクロメートルである。「気孔の相当平均直径」という 語は、水銀細孔測定として知られている技術に従って定義づけられ、これはこの 直径の値を水銀が浸入する合計体積の半分に相当するものとして決定する。好ま しくは支持体３の厚みは０．５　ミリメートル以上で６ミリメ一ドル未満である 。

図示された例においては、多孔質支持体３は、液体培地２と接触するようになっ ている少なくとも１つの分離層４で被覆された好ましくは平滑な特性をもつ主平 坦面３Ｉを含むプレート又は正方形の形をとる。単数又は複数の分離層４の性質 は、得るべき分離又はろ過能力に従って選択され、液体培地２が加える圧力−Ｆ −が多孔質支持体３に伝達されるように支持体３と密な結合を形成する。この単 数又は複数の層４は例えば、少なくとも１つの金属酸化物を含み従来無機フィル タ要素の製造に用いられている懸濁液から被着させられる。乾燥後、この単数又 は複数の層は、焼結作業に付され、この作業によりこれらを圧密し互いに又は多 孔質支持体３に対して結合させることが可能となる。

好ましくは、これらの分離層を被着させるのに用いられる材料は、アルミナＡ１ １０３　、酸化ジルコニウノ、ＺｒＯ！　、酸化チタンＴｉ１ｔ又は酸化シリコ ンＳｉ鵠などの純粋酸化物又は、（＾ｔ’ｓ　＋　ＴｉＯｘ）　１（Ａ１１０３ 　＋Ｓｉ島Ｌ　（ＴｉＯｚ＋５ｉ（ｈ）、（ＺｒＯｉ＋５ｉＯｚ）又は（ＺｒＯ ｚ＋ＴｉＯｇ）といったこれらの純粋酸化物の混合物である。

これらの混合物は各々、耐火性の比較的低い酸化物と１つの酸化物の結びつきを 構成し、焼結温度を低下させることを可能にしている。耐火性が比較的低い酸化 物に対する耐火性酸化物の比率は、１００〜１の間で変動する。初期粒度に応じ て、これらの層の相当平均直径は０．１〜１．５　ミクロンである。

上で製造されたフィルタ要素は、マイクロフィルトレージョン作業のために使用 されるが、２ｘｍ〜９０ｎ−といったはるかに小さな相当平均直径を得ることを 可能にする、中間多孔質と分類された被着物のための基体としても使用できる。

これらの中間多孔質の被着物に用いられる材料は、Ａ１ｚ０３　、　Ｔ１０ｘ　 ＊ＺｒＯ□又はＳｉｎｇといった純粋酸化物か或いは又これらのさまざまな酸化 物の混合物である。

フィルタ要素Ｉは同様に、多孔質支持体３に対して、分離層３に加えられた圧力 上とほぼ同等の対抗する圧力−Ｐ、を加えるカウンタスラスト要素６も含んでい る。この目的で、要素６は、適切なあらゆる手段（図示せず）により、主要面３ ．とは反対の多孔質支持体３の主要面３□に対して適用されている。カウンタス ラスト要素６は、多孔質支持体３がその交換面積とは無関係に圧縮下で作動でき るようにし、かくして優れた機械的強度をもちながらしかも小さい厚みの多孔質 支持体を製造することが可能となっている。制限的意味の無い例として、共に３ ００　ミリメートルに等しい幅と長さ及び３ミリメートルに等しい厚みをもつ多 孔質支持体３を製造することを考慮することが可能である。好ましくは、多孔質 支持体３の長さ１幅比は１〜１０であり、この支持体の厚みは０．５〜６ｓｍで ある。

本発明に従ったろ過ユニットは、同様に、分離層４から一定の距離に位置づけら れ、分離層４から多孔質支持体３を通過したろ液を回収するように適合されたキ ャビティ８といった手段をも含んでいる０分離層４から多孔質支持体３の厚みを 通過するる液は、矢印ｆの方向にキャビティ８の中へと出ていき、次に適切なあ らゆる手段によりろ過ユニットの主要面又は縁部から収集又は回収される。

１つの実施態様においては、収容用キャビティ８は、支持体の主要面３！内に設 けられた流路網９から成る０本発明の１つの有利な特徴に従うと、各流路９は、 平坦な底面９１を有し、この底面からほぼ垂直な方向に側面９！が立ち上がって いる。かくして流路９は、図２により厳密に示されているように矩形断面を有す る。流路９の間にとどまった状態で、カウンタスラスト要素６が接触する支持部 １０が存在する。支持部ｌＯは、多孔質支持体が圧縮下で作動しているときフィ ルタ要素の機械的強度を確保するように′適合されている。

実際には、支持部の横断面及び数は、支持部１０を超えた多孔質支持体の表面の 変形が破壊変形よりも小さいように規定される。これらの支持部の数にその断面 積を乗じたものに相当するその占有面積は、交換面積の過度に大きな減少を避け るため、上述の破壊限界内でできるかぎり小さくなければならない。

支持部１０の高さは性質損失に対し影響を及ぼさないが、移送圧力Ｐ及びＰ、に 対抗することになる圧力損失をひき起こすことなくる液の流れを適合することを 可能にするということも考慮すべきである。支持部１０の高さは、交換面積が一 定にとどまる一方で変動しうる。支持部ｌＯの高さは、ろ液の流れの圧力損失が ０．１バ一ル未満となるように規定される。

第１の実施態様において、流路９は、多孔質支持体の長さに沿って互いにほぼ平 行になるように作られている。

流路９の断面形状は、フィルタ要素の圧力損失ひいては平均水力抵抗を最小限に おさえるべく、多孔質支持体３を横断するろ液の径路を縮減するという利点を有 している。さらに、要素Ｉのろ過面積を形成するのに平坦な表面３１を用いるこ とにより、高いろ過膜を有するユニットを得ることが可能となる。

図３に示されている第２の実施態様においては、互いに連絡して十字形のる液回 収網を形成する流路１１を用いてろ液回収キャビティ８を作り出すようになって いる。流路１１の間にとどまっている状態で、フィルタ要素が適切に機能できる ようにするスタートといったような局在支持部１０が存在する。支持部１０の横 断面はいかなる形状のものであってもよいということに留意すべきである。

図２に示されている１つの特に有利な実施態様においては、カウンタスラスト要 素６は、ろ過すべき液体培地２と接触するようになっている少なくとも１つの分 離層１３を備えた主要外部平坦面６Ｉをもつ相補的多孔質支持体から成る。従っ て、一般にパケットと呼ばれるこの要領で製造したフィルタ要素は、多孔質支持 体３及び６のいずれかの側で延びる２つの相対する平坦な分離相を含んでいる。

分離層１３は、要素■と連絡状態に置かれ、処理すべき液体培地がシートの形で 確実に循環するようにしている。こうして多孔質支持体３及び６から成るパケッ トは、液体培地２と接触した状態で面３．。

６１の各々に対してほぼ同等の作用圧力が及ぼされることから、圧縮下で作動す る。ろ液は、分離層４及び１３から多孔質支持体３及び６を通過し、次にキャビ ティ８により回収される。排他的ではないが好ましくは、相補的多孔質支持体６ は多孔質支持体３と同一であり、図２に示されているように、支持体３に対し対 称的に取りつけられている。２つの支持体の支持部１０は、互いに接触した状態 にあり、一方１つの支持体の中を走る流路９は各々もう１つの支持体の中を走る １本の流路と面し、かくして図１に示されているものの２倍の容量をもつキャビ ティ８を形成する。それぞれの支持部１０の間の接触は、これらの支持部の上に ガラス又は粘土の層を被着させることによって生成され次に熱処理に付される溶 接によって提供されうる。当然のことながら、支持部１０がスタッドにより形成 されるように十字形に流路９を作り上げることを考慮することも可能である。

このようにして作られたパケットは、分離層４．１３の被着のために適した２重 面を含むこと、そして連続的に容易に製造されうる平坦なタイプの単一の多孔質 支持体３又は６から作られていること、といった利点をもつ。さらに、このパケ ットの構成は、支持体３及び６が圧縮下で作動するかぎり優れた機械的強度をこ のパケットが確実に有しているようにしている。

相補的多孔質支持体６は、フィルタ要素Ｉを一体形で作り上げるように多孔質支 持体３の一部を成していてもよい、ということにも留意されたい、この実施態様 においては、フィルタ要素は、キャビティ８を生成するべ（焼結熱処理の間に除 去されるようになっている十字形の糸を内含していてもいな（でもよい。

図に示されているように、各支持体３又は６には、例えばインターロック式の接 合用手段が具備されており、モジュール式パケットを形成できるようにしている 。この目的のため、縁部支持体３又は６に沿った周辺舌状部１６を具備すること もできる。これらの接合用手段１６によって、本発明に従った要素Ｉを望ましい 数だけ並べて組立てることにより選択した寸法のろ過ユニットを生成することが 可能となる。

産業上の利用可能性 平坦な構成の１つに従って製造された、５ｎｍの相当平均孔径をもつ層で被覆さ れた多孔質支持体及び相補的多孔質支持体を含むパケットは、通常平坦な有機膜 と共に機能するようになっている実験室装置の２つの抑制装置の中に置かれた。

有機膜の場合、作用抵抗を提供するという役目をもつプレート上にこれらを配置 する０本発明に従ったパケットを用いると、液体シートが層４，１３のいずれの かの側に現れるようにこのプレートは削除される。これらの層と要素■の間の耐 漏洩性は、厚み０．５−１のシールを用いて従来の要領で提供される。

このとき装置は循環ポンプに連結され、循環路は、１００００ダルトンの分子量 の多糖類に相応するデキストランＴＩＯの水溶液で満たされる。デキストランＴ ＩＯの濃度はＩｇ／ｌである。循環速度は、液体シートあたり一時間２００１で あり、作用圧力は漸進的に４ｂまで上昇させられる。

キャビティの中を流れたろ液は、屈折率測定による定量分析のため収集される。

そのデキストラン含有量は０．０５ｇ／ｌである。この値は、９５％の保留率に 相応する。

この例は、本発明の対象物により、作用圧力に耐え優れた分離効率を得ることが 可能となるということを示している。

従って、図２により精密に示されているように、処理すべき培地の液体シートの 高さ工は、面３．と６．の分離層４及び１３と要素■の間に規定され、流体が液 体シートの形で循環するようにしている。

本発明に従うと、この高さ工は０．１−一と３■ｌ°の間好ましくは０．２〜１ ．５−■の間である。液体シートの断面の高さ↓はその他の寸法に比べて非常に 小さいが、この液体シートの相応する水力直径は高さＮの約２倍であるというこ とに留意すべきである。

本発明の１つの有利な特徴に従うと、単数又は複数の要素■は上述のようなフィ ルタ要素Ｉによって形成される。

本発明は、図示されている上述の例に制限されるものではなく、発明の枠を逸脱 することなくさまざまな修正を加えることも可能である。

■ 国際調査報告

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．ろ液を回収するため液体培地をろ過するための無機ユニットにおいて、 −液体培地と接触させられるようになっている少なくとも１枚の分離層（４）で 被覆された面（３１）を有し、この分離層に対し−定の圧力（Ｐ）を加える無機 剛性多孔質支持体（３）、分離層（４）に対し加えられる圧力（Ｐ）とほぼ同等 の相対する圧力（Ｐ１）を支持体（３）上に及ぼすカウンタスラスト（返し突き ）要素（６）、 −及び、分離層から多孔質支持体を通過したろ液を回収することを目的とする、 分離層（４）から一定の距離のところで多孔質支持体の中に作られた少なくとも １つのキャビティ（８）、から成る少なくとも１つのフィルタ要素（１）、−及 び、液体培地（２）の循環のための少なくとも１つの要素（ＩＩ） を含むユニットであって、 無機多孔質支持体（３）は、互いに及び多孔質支持体に対して焼結により結合さ れた単数又は複数の層（４）で被覆された平坦面（３１）を有し、 要素（ＩＩ）は、フィルタ要素の平坦面（３１）と共に高さ（ｈ）０．１〜３ｍ ｍ好ましくは０．２〜１．５ｍｍの液体シートを規定している、無機ユニット、
2. ２．単数又は複数のキャビティ（８）が１つの平坦な底面（９１）を有し、この 底面から側面（９２）がほぼ垂直方向に立ち上り、キャビティは、圧縮下での多 孔質支持体の作用に対して反応するため互いの間で支持部（１０）を限定してい る、請求の範囲第１項に記載のろ過ユニット。
3. ３．キャビティ（８）が互いに連絡し合って、支持部（１０）を限定する十字形 ろ液回収網を形成している、請求の範囲第２項に記載のろ過ユニット。
4. ４．カウンタスラスト要素（６）は、ろ過すべき液体培地と接触するようになっ ている少なくとも１枚の分離層が具備された平坦な外部面（６１）をもちこの分 離層に対抗する圧力（Ｐｌ）を加える相補的無機多孔質支持体で構成されている 、請求の範囲第１項に記載のろ過ユニット。
5. ５．相補的多孔質支持体（６）は多孔質支持体（３）と同一であり、２つの支持 体の支持部（１０）が互いに接触した状態になるように多孔質支持体（３）に対 称的にはめ合わされている、請求の範囲第４項に記載のろ過ユニット。
6. ６．支持部の高さは、ろ液が０．１バール未満の圧力損失を伴って確実に流れる ようにするべく決定されている、請求の範囲第１項又は第５項に記載のろ過ユニ ット。
7. ７．相補的多孔質支持体（６）が多孔質支持体（３）の一部を成す、請求の範囲 第４項に記載のろ過ユニット。
8. ８．多孔質支持体（３及び６）は１つのメッシュを内含し、それを除去すること によってろ液回収キャビティ（８）の形成が可能となる、請求の範囲第７項に記 載のろ過ユニット。
9. ９．多孔質支持体（３，６）が各々１〜１０の間の長さ／幅比を有し、厚みは０ ．５〜６ｍｍである、請求の範囲第１項に記載のろ過ユニット。
10. １０．多孔質支持体（３）がそのそれぞれの支持部（１０）で互いに対し溶接さ れている、請求の範囲第５項に記載のろ過ユニット。
11. １１．多孔質支持体（３）内の気孔が１〜５０マイクロメートル好ましくは５〜 １０マイクロメートルの平均直径を有する、請求の範囲第１項に記載のろ過ユニ ット。
12. １２．多孔質支持体（３）には、０．１〜１．５マイクロメートルの相当直径を もつ気孔を有する単数又は複数の分離層（４，１３）が具備されている、請求の 範囲第１項に記載のろ過ユニット。
13. １３．単数又は複数の分離層（４，１３）は２ｎｍ〜９０ｎｍの相当平均直径を もつ相補的分離層で被覆されている、請求の範囲第１２項に記載のろ過ユニット 。
14. １４．分離層がＡＩ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２又はＳｉＯ２といった純粋酸化 物又は（Ａ１２Ｏ３＋ＴｉＯ２），（Ａ１２Ｏ３＋ＳｉＯ２），（ＴｉＯ２＋Ｓ ｉＯ２）又は（ＺｒＯ２＋ＴｉＯ２）といったこれらの純粋酸化物の混合物の被 者により生成されている、請求の範囲第１項に記載のろ過ユニット。
15. １５．液体の循環のための要素（ＩＩ）が本発明に従った無機フィルタ要素（Ｉ ）で構成されている、請求の範囲第１項に記載の無機ろ過ユニット。