カセット式濾過装置

【課題】複数の濾過要素を利用する多層濾過装置を提供すること。
【解決手段】濾過膜がそれに接着されるのではなく原液板および濾液板上にガスケットによって配置される濾過装置が提供される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年３月２９日に出願した米国仮特許出願第６０／９２０，６６０号、および２００７年３月２６日に出願した米国仮特許出願第６０／９２０，０８５号の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、液体組成物の濾過を行うための使い捨て式膜濾過装置に関するもので、供給液体が装置に導き入れられ、濾液流れおよび場合によってはリテンテート流れが装置から取り出される。詳細には、本発明は、使い捨て式の接線方向流れ膜濾過装置またはデッドエンド膜濾過装置に関し、この膜濾過装置は濾過膜を選択的に封止するフィルタ板に一体に成形されるガスケットを利用することによって形成されかつ選択的に封止される。
【背景技術】
【０００３】
本発明の以前には、液体は、マニホールド間に積み重ねられまたはマニホールドプレートに個々に封止される複数のフィルタモジュール内で濾過されてきた。各モジュールは、一体型ガスケットを備える熱可塑性板によって分離される１つまたは複数のフィルタ層を含み、装置の中への液体供給流れ、ならびに装置からの濾液流れを可能にしかつ分配する。モジュール内の濾過は接線方向流れ濾過（ＴＦＦ）プロセスとして行われることができ、到来する供給液体が膜表面の上に接線方向に流されてリテンテートおよび濾液を形成する。あるいは、濾過は、通常流れの濾過（ＮＦＦ）で識別される別様のデッドエンドモード（ｄｅａｄｅｎｄｍｏｄｅ）として行われることができ、すべての到来する供給液体は膜フィルタを通過して膜フィルタ上に固体および他の砕片を保持する。この後者のモードでは濾液だけが回収される。
【０００４】
現在、新しい膜製品は現存するデバイスの設計によって拘束される。通常流れの濾過の処理規模に十分な膜の面積を得るために、膜はひだをつけられ、カートリッジに組み立てられる。このことは、新しい膜の組成物を可撓性のある薄い材料に限定し、濾過性能を改善するのに知られている非対称の細孔構造を有する膜を制限する。膜カセットおよび積層ディスクを含む他のフィルタ設計は、封止を生ずるように膜を注封または熱接着することに頼っており、やはり膜組成物を、エポキシ樹脂、ウレタン、またはシリコンなどを熱接着または注封するのに適した材料に限定している。接線方向流れ濾過装置の場合、濾液の流れは供給液体流れおよびリテンテート流れから封止される。接着剤は、これが化学的相溶性を制限し、重要で抽出可能な種の供給源であり、プロセス制御の困難性を持ち込み、接着強度の限界が決められ、使用温度の限界が決められ、プロセスのサイクル時間を増大させるので望ましくない。溶剤接着は、溶剤により環境問題および製造プロセスの変動性が強いられ、一方で潜在的に有用なポリマーが溶媒和特性によって制限されるので望ましくない。加えて、ポリマー熱可塑性封止用組成物を膜層表面に加えることによって膜層の縁を改変することが提案されてきた。この場合、ポリマー熱可塑性封止用組成物は隣接するスペーサ層に膜を封止するように使用される。ポリマー熱可塑性封止用組成物の膜層の中への侵入は膜の小さな細孔によって制限されるので、上記封止用組成物と膜との間の封止強度は比較的小さい。そのうえ、列挙されたこれらのようなプロセスは広範に展開されることが必要であり、膜の各組成物、細孔サイズ、および使用される熱可塑性物質に対して特定的である傾向がある。さらに、熱的に接着することができない、あるいはエポキシ樹脂またはシリコンが接着しないハウジングを形成する熱可塑性材料または熱硬化性材料を有することが望ましい場合がある。また熱可塑性板への熱接着膜も当業界でよく知られているが、膜が熱可塑性フィルタ板と適合することが必要である。現在、膜材料はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、セルロースおよびポリアミド（ナイロン）などの多様な材料から作られており、これは多数のフィルタ製作工程を必要とし、新しい新規な膜材料の使用を妨げている。
【０００５】
シリコンおよび熱可塑性エラストマーのようなガスケットを用いたシーリングは、産業界でよく知られている。しかし、これは通常、単一の組のプラスチック板またはステンレス鋼板内に収容される単一の濾過層に適用される。より大きい濾過面積が特定の分離を行うために必要とされる場合、分離したハウジングが外部的に同時に配管されることになり、これは余分の確認および清浄作業のために煩わしく望ましくない工程であろう。
【０００６】
ＵＳ５４２９７４２にはその中へ複数の濾過膜が成形される熱可塑性フレームを備えるフィルタカートリッジが開示されている。この熱可塑性フレームは流体径路を与えるように成形され、この流体径路によりフィルタカートリッジから濾過された流体を取り出す以前に濾過されるべき到来する流体が膜を通過することが確保される。このフレームは十分に厚く、したがって膜へのおよび膜からの流体径路が形成されることができる。この記載されたフィルタカートリッジはインサート成形されるべき膜を必要とし、これはハウジング構成をオーバーモールドと両立できる材料で、かつフィルタ層を用いて封止部を形成する材料に制限する。
【０００７】
ＵＳ２００４／０２２６８７５Ａ１には濾過モジュールが開示されており、供給液体、濾液、および随意にリテンテートのための所望の流路をもたらすシーリングは所望の形状構成のスペーサ層の周囲をヒートシールすることによって行われる。この設計はこのようにして働かされ得るほんの少数の材料にだけ抑えられる。
【特許文献１】米国特許第５４２９７４２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２２６８７５Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、複数の濾過要素を利用する多層濾過装置を提供することが望ましく、各層が接着剤または溶剤接着を使用することなく適切に封止される。加えて、膜の組成物またはフィルタ板によって制限されないこの種の濾過装置を提供することが望ましい。そのうえ、濾過装置の単位体積当たりに多数の濾過層を含む接線方向流れ濾過装置またはデッドエンド濾過装置を提供することが望ましく、この濾過装置はスタックに形成されることができ、かつスタック内に流体流路を画定するように適切に封止されることができる。加えて、濾過装置の体積当たりに多数の濾過層を含む接線方向流れ濾過装置またはデッドエンド濾過装置を提供することが望ましく、これはスタックに形成されることができ、かつスタック内に流体流路を画定するように適切に封止されることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、濾過膜を含むガスケットを施したカセット式濾過装置を提供する。膜は、原液板（ｆｅｅｄｐｌａｔｅ）または濾液板に接着されるのではなくガスケットを接合することによってモジュール内で然るべき位置に固定される。濾過装置は濾過モジュールのスタックから形成される。濾過モジュールは、原液板、濾液板、およびこの板の間に配置される濾過膜から形成される。原液板および濾過板には供給液体、濾液、および随意にリテンテートのための所望の流路を画定するガスケットが設けられる。ガスケットは通常流れの濾過（ＮＦＦ）または接線方向流れの濾過（ＴＦＦ）を画定するように配置され得る。濾過モジュールは、原液板および濾液板をその間に配置された膜と共に互いにスナップ嵌合することによって形成される。次いで、複数の濾過モジュールがやはりスナップ嵌合により積み重ねられ、濾過装置内に所望の流体流れをもたらす２つのマニホールドの間に取り付けられる。マニホールドはガスケットを然るべき位置に固定する板の間に配置され締め付けられ、流体流れの圧力に抗して封止部を保持する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１ａ、図１ｂ、図２ａ、および図２ｂに示される原液板および濾液板は、同一のガスケットの形状およびガスケットを施さない穴の形状を有する。隣接する原液板および濾液板を通る所望の流体流れは、供給液体またはリテンテートのいずれかと濾液の混合を妨げるように、ガスケットを施さない穴を有する表面を配置することによって実現される。
【００１１】
図１ａおよび図１ｂを参照して、原液板１の２つの表面１ａおよび表面１ｂが示される。図１ａに示されるように、表面１ａは外周ガスケット２を含む。穴３および穴４のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。図１ｂに示されるように、表面１ｂは外周ガスケット１１および内周ガスケット２ｂ（破線で示される）を含む。穴５および穴６のそれぞれはガスケットを施されておらず開いている。供給液体は穴５を通して表面１ａに入る。穴７ａおよび穴８のそれぞれにはガスケットが施されている。流体の供給が板１、および濾過膜９を通して通過可能なように穿孔６ａが設けられる。穿孔６ａはＥ字形の形状構成に配置されるが、これらの穿孔６ａは供給液体が板１を通して流れるような任意の形状構成であり得ることを理解されたい。供給液体は上面１ａに入り、穿孔６ａを通過し、濾過膜９を通過して濾液として現われる。濾過されていない供給液体はリテンテートとして穴６を通して表面１ａを去る。
【００１２】
図２ａおよび図２ｂを参照して、濾液板１０の２つの表面１０ａおよび表面１０ｂが示される。表面１０ａは外周ガスケット２２および内周ガスケット２２ａを含む。穴１５および穴１６のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。表面１０ｂは外周ガスケット１３を含む。穴１７および穴１８のそれぞれは流体の流れを受け容れ、一段高くなった穿孔部分によって取り囲まれて穴１６および穴１５を取り囲むガスケットの支持を行う。これは作動圧力による封止の断絶を防止する。一段高くなった同様な穿孔部分が表面１０ｂに設けられてガスケット２２ａの支持を行う。穴１９および穴２０のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。穿孔１７ａが板１０を通して設けられて濾過された供給流体が表面１０ｂから表面１０ａまで通過することができる。図１ｂのガスケット２ｂおよび図２ｂのガスケット２２ａは、２つの表面１ｂおよび表面１ａが互いに接合されると濾過膜９の周囲を封止する働きをする。２つのガスケット１１およびガスケット２２は原液板１および濾液板１０の周囲を封止する働きをする。穴８および穴１５を取り囲むガスケットは互いに接触して封止を形成する。穴７ａおよび穴１６を取り囲むガスケットは互いに接触して封止を形成する。
【００１３】
図３に示されるように、原液板１および濾液板１０は互いに接合されて、その間に濾過膜９を取り囲み封止し、原液板１の周囲および濾液板１０の周囲を封止する。互いに接合する２つの板１０の表面は同じ形状構成を有し、この形状構成は穿孔１７ａを有する板１０の表面に示される。穴３を取り囲むガスケットシールは穴１６を取り囲むガスケットシールと接合する。穴４を取り囲むガスケットシールは穴１５を取り囲むガスケットシールと接合する。図３に示されるように、到来する供給流体７は、穴５を通り抜け、表面１ａを横切り、穿孔６ａを通り抜け、膜フィルタ９（図１ｂ）を通過する（通過して濾液８ａになる）。第２の濾液８ｂは多孔性表面３３を通して供給液体７ａを通過することによって形成される。多孔性表面３３は板１を成形するときに形成され得る。濾液８ａは濾液８ｂと混合され、この濾液８ｂは穿孔１７ａを通過して濾液流れ８ｃを形成する。リテンテート１２ａは穴６および穴１５を通過する。
【００１４】
図４を参照して、ＴＦＦ濾過装置３５はマニホールド３６およびマニホールド３７、濾過モジュール３８のスタック、供給液体入口４０、濾液出口４２、ならびにリテンテート出口４４を含む。濾過モジュール３８ならびにマニホールド３６およびマニホールド３７はボルト４５によって板４１と板４３との間に保持される。
【００１５】
図５を参照して、スナップ嵌合コネクタが示される。２つの可撓性の尖った先４８を備えるオス接続要素４６が濾液板１０に取り付けられる。尖った先４８は原液板１のメスコネクタ４９ａに嵌合する。
【００１６】
図６を参照して、他のスナップ嵌合コネクタが示される。オス接続要素５１が濾液板１０に取り付けられる。接続要素５１は原液板１のメスコネクタ５３に嵌合する。
【００１７】
図７を参照して、ＴＦＦ濾過モジュールが示される。原液板２５および濾液板２７から構成される濾過要素２８はマニホールド３２とマニホールド３４との間に配置される。マニホールド３２には供給液体入口１２および濾過出口３６が設けられる。マニホールド３４には濾液出口３８および供給液体入口４０が設けられる。一組の濾液出口手段４２がマニホールド３４に設けられ、一方、第２の組の濾液出口手段４４がマニホールド３２に設けられる。濾液出口手段４２および濾液出口手段４４は濾液導管径路４６によって濾液出口３６および濾液出口３８に連結される。穴４８は図示のような原液板２５の表面のガスケットによって封止されない。穴４８は図示されない原液板２５の表面のガスケットで封止される。穴４９は図示された濾液板２７の表面のガスケット、および図示されない板２７の表面のガスケットで封止される。板２５の穴５０は図示された板２５の表面のガスケットで封止されず、図示されない板２５の表面に封止される。板２７の穴４７は図示された板２５の表面のガスケットで封止され、図示されない板２７の表面のガスケットで封止されない。板２５および板２７のガスケットの形状は、流体の流れが矢印５１、矢印５３、矢印５５、矢印５７、矢印５９、矢印６１、矢印６５、矢印３６、および矢印３８によって順次表されるように生じその結果すべての供給液体が濾過膜６３を通過することを確実にする。到来する供給液体は矢印１２および矢印４０によって表される。
【００１８】
図８を参照して、濾過要素２８は原液板２５、濾過膜５４、濾液板２７、および第２の濾液板５８を含む。原液板２５および濾液板２７にはそれぞれ開いた穴７６および穴９０、ならびにそれぞれガスケットを施した穴７８および穴９２がそれぞれ設けられ、それにより流体の流れが矢印５１ａ、矢印５３ａ、矢印５５ａ、矢印５７ａ、矢印５９ａ、矢印６１ａ、矢印６３ａ、矢印６５ａ、および矢印６７ａによって順次表されるように生じることを確実にする。
【００１９】
図９ａおよび図９ｂを参照して、原液板２５の２つの表面２５ａおよび表面２５ｂが示される。表面２５ａは外周ガスケット６６および内周ガスケット６８を含む。穴７０および穴７２のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。表面２５ｂは外周ガスケット７４を含む。穴７６のそれぞれは流体の流れを受け容れる。穴７８のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。膜５４は表面２５ａに配置され、ガスケット６６およびガスケット６８によって取り囲まれる。
【００２０】
図１０ａおよび図１０ｂを参照して、原液板２７の２つの表面２７ａおよび表面２７ｂが示される。表面２７ａは外周ガスケット８０および内周ガスケット８２を含む。穴８４および穴８６のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。表面２７ｂは外周ガスケット８８を含む。穴９０のそれぞれは流体の流れを受け容れる。膜５４はガスケット８０およびガスケット８２によって取り囲まれる。穴９２のそれぞれはガスケットによって取り囲まれる。
【００２１】
図９ａ、図９ｂ、図１０ａ、および図１０ｂの流体板２５および濾液板２７は互いに接合されてその間に濾過膜５４を取り囲み封止する。シールは、外周ガスケット６６および外周ガスケット８０が接合して封止を形成するように行われる。また、周辺ガスケット６８および周辺ガスケット８２もその間に濾過膜５４と接合する。穴７０を取り囲むガスケットは穴８４を取り囲むガスケットと接合する。穴７２を取り囲むガスケットは穴８６を取り囲むガスケットシールと接合する。図１１を参照して、ＮＦＦ濾過モジュール９８はマニホールド３２およびマニホールド３４、濾過モジュール１００のスタック、供給液体入口１０２、ならびに濾液出口１０４を含む。濾過モジュール１００ならびにマニホールド３２およびマニホールド３４はボルト１１０によって板１０６と板１０８との間に保持される。
【００２２】
図４および図１１の濾過装置は使用の間、マニホールドからマニホールドまでの間で締め付けられて、上述のようにガスケットに圧力を加える。濾過が完了すると締め付けが解除され、濾過モジュールのスタックは廃棄される。
【００２３】
濾過膜は複合膜を含む単一層または多層から形成され得る。
【００２４】
本発明は、限外濾過（ＵＦ）、精密濾過フィルタ、（ＭＦ）、ナノ濾過フィルタ、ならびにきめの粗いフィルタまたはマクロ濾過フィルタ等で使用され得る。
【００２５】
限外濾過（ＵＦ）フィルタ（これはこのプロセスで使用され得る）は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、およびポリアリルスルホンを含むポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ならびにセルロースおよびその誘導体（ニトロセルロースや再生セルロースなど）を含むがこれに限定されないグループから形成され得る。これらのフィルタは通常支持層を含み、この支持層は一般に高多孔性構造体から形成される。これらの支持層の典型的な材料には、スパンボンデッドのポリエチレンまたはポリプロピレンのような様々な不織材料、紙またはガラス、あるいはフィルタ自体として同一もしくは異なるポリマーから形成される微孔性材料がある。あるいはこの支持は、マクロボイド有りまたは無しのいずれかで形成され得る限外濾過の明らかに多孔質の、非対称の一体部分であることができる。この種のフィルタは当業界でよく知られており、ＭｉｌｌｉｐｏｒｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＢｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡなどの様々な供給源から市販されている。
【００２６】
適切なＵＦフィルタは、ＭｉｌｌｉｐｏｒｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＢｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡから入手可能であるＹＭ（商標）フィルタまたはＢｉｏｍａｘ（登録商標）フィルタなどの再生セルロースフィルタ、またはポリスルホンフィルタを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】本発明のＴＦＦ原液板の第１の表面の透視図である。
【図１ｂ】膜を含む、図１ａのＴＦＦ原液板の第２の表面の透視図である。
【図２ａ】図１ａの第１の表面に対して１８０°に配置される、本発明のＴＦＦ濾液板の第１の表面の透視図である。
【図２ｂ】膜を含む、図２ａのＴＦＦ濾液板の底面の透視図である。
【図３】本発明の２つのＴＦＦ濾過モジュールの分解図であり、それぞれが原液板および濾液板を備える図である。
【図４】本発明のＴＦＦ濾過装置の透視図である。
【図５】本発明に有用なスナップ嵌合配置の側面図である。
【図６】本発明に有用な他のスナップ嵌合配置の側面図である。
【図７】本発明のＴＦＦ装置の透視図である。
【図８】本発明のＮＦＦ濾過モジュールの分解図である。
【図９ａ】本発明のＮＦＦ原液板の第１の表面の透視図である。
【図９ｂ】図９ａのＮＦＦ原液板の第２の表面の透視図である。
【図１０ａ】本発明のＮＦＦ濾液板の第１の表面の透視図である。
【図１０ｂ】図１０ａのＮＦＦ濾液板の第２の表面の透視図である。
【図１１】本発明のＮＦＦ装置の透視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、２５、２７原液板
１ａ、１ｂ、１０ａ、１０ｂ、２７ａ、２７ｂ表面
２、１１、１３、２２、６６、７４、８０、８８外周ガスケット
２ｂ、２２ａ、６８、８２内周ガスケット
３、４、５、６、７ａ、８、１５、１６、１７、１８、１９、２０、４７、４８、４９、５０、７０、７２、７６、７８、８４、８６、９０、９０ａ、９２穴
６ａ、１７ａ、９４、９６穿孔
７供給液体
８ａ、８ｂ濾液
８ｃ濾液流れ
９、５４、６３濾過膜、濾過フィルタ、膜フィルタ
１０濾液板
１２、４０、１０２供給液体入口
１２ａリテンテート
２８濾過要素
３２、３４、３６、３７マニホールド
３５ＴＦＦ濾過装置
３８フィルタモジュール、
４１、４３、１０６、１０８板
４２、１０４濾液出口、濾液出口手段
４４リテンテート入口、濾液出口手段
４５、１１０ボルト
４６濾液導管径路
９８ＮＦＦ濾過モジュール
１００濾過モジュール
３６、３８、４０、５１、５３、５５、５７、５９、６１、５１ａ、５３ａ、５５ａ、５７ａ、５９ａ、６１ａ、６３ａ、６５ａ、６７ａ矢印

【特許請求の範囲】
【請求項１】
原液板、濾過板、ならびに原液板および濾液板上のガスケットによって原液板と濾過板との間に配置される濾過膜を有する少なくとも１つの濾過モジュールを備える、濾過装置。
【請求項２】
装置が複数の濾過モジュールを有する、請求項１に記載の濾過装置。
【請求項３】
装置が、濾過装置内で接線方向流れの濾過を行う１つまたは複数の流体流路を有する、請求項１に記載の濾過装置。
【請求項４】
装置が、濾過装置内で通常流れの濾過を行う１つまたは複数の流体流路を有する、請求項１に記載の濾過装置。
【請求項５】
原液板および濾過板がその間の膜と共に互いにスナップ嵌合される、請求項１に記載の濾過装置。
【請求項６】
装置が複数の濾過モジュールを有し、原液板および濾過板がその間の膜と共に互いにスナップ嵌合される、請求項１に記載の濾過装置。
【請求項７】
装置が複数の前記濾過モジュールを有し、流れが通常流れの濾過および接線方向流れの濾過から成るグループから選択され、原液板および濾過板がその間の膜と共に互いにスナップ嵌合される、請求項１に記載の濾過装置。
【請求項８】
ガスケットが板上の然るべき位置に成形される、請求項１に記載の濾過装置。

【図１ａ】