クロスフローろ過

化学工学、生化学工学、タンパク質精製において、クロスフローろ過^{[ 1 ]} （接線流ろ過^{[ 2 ]}とも呼ばれる）は、ろ過の一種（特定の単位操作）です。クロスフローろ過は、供給液が膜またはベッドを通過し、固形物がフィルターに捕捉され、ろ液が反対側から放出されるデッドエンドろ過とは異なります。クロスフローろ過という名前は、供給液の大部分がフィルター内ではなく、フィルターの表面を接線方向に流れることに由来します。[ ^{1 ]この}主な利点は、ろ過プロセス中にフィルターケーキ（フィルターを目詰まりさせる可能性がある）が大幅に洗い流され、フィルターユニットの稼働時間が長くなることです。バッチ式のデッドエンドろ過とは異なり、連続プロセスにすることができます。

このタイプのろ過は、微粒子固形分を多く含む原料（透過液の価値が最も高い原料）に対して一般的に選択されます。これは、デッドエンドろ過では固形物がフィルター表面をすぐに目詰まりさせてしまうためです。工業的な例としては、発酵液から可溶性抗生物質を抽出する場合などが挙げられます。

クロスフローろ過プロセスの主な駆動力は膜間圧力です。膜間圧力とは、膜の両側の圧力差を表す指標です。ろ過プロセス中、透過液の粘度上昇により膜間圧力が低下する可能性があり、その結果、ろ過効率が低下し、大規模プロセスでは時間がかかる場合があります。これを防ぐには、透過液を希釈するか、システムの流量を増加させる必要があります。

クロスフローろ過では、供給液は透過液側に対して正の圧力で（接線方向に）ろ過膜を横切って流れます。膜の細孔径よりも小さい物質の一部は透過液またはろ液として膜を通過し、残りの物質はすべて膜の供給液側に保持液として残ります。

クロスフローろ過では、膜を通過する流体の大部分が接線方向に移動することで、フィルター表面に捕捉された粒子が擦り落とされます。そのため、クロスフローフィルターは比較的高い固形物負荷でも目詰まりを起こさずに連続運転が可能です。

• 濾過ケーキの形成を防ぐことで、より高い全体的な液体除去率が達成される。
• 処理原料は流動性のあるスラリー状で残り、さらなる処理に適している。
• 製品スラリーの固形分含有量は広範囲にわたって変化させることができる。
• 粒子をサイズで分画することは可能である^{[ 3 ]}
• 管状ピンチ効果

クロスフロー膜ろ過技術は、世界中の産業界で広く利用されています。ろ過膜は、用途に応じてポリマー製またはセラミック製となります。クロスフローろ過の原理は、逆浸透、ナノろ過、限外ろ過、精密ろ過などに用いられています。水の浄化においては、従来の蒸発法に比べて非常に費用対効果が高いと言えます。

タンパク質精製において、接線流ろ過（TFF）という用語は、膜を用いたクロスフローろ過を指すのに用いられる。このプロセスは、選択する膜の種類に応じて、精製過程のさまざまな段階で使用できる。^{[ 2 ]}

工業用ろ過装置の写真（右）を見ると、リサイクル配管が供給配管（右側の垂直配管）や透過液配管（白いクランプの列の近くにある小型マニホールド）よりもかなり大きいことがわかります。これらの配管サイズは、装置を通過する液体の割合に直接関係しています。専用のポンプを使用して供給液を装置内で数回循環させた後、固形分を多く含む濃縮液を次の工程に移送します。

クロスフローろ過における膜の汚染は、物理モデルやメカニズムモデルから導き出された操作戦略によって管理できる。このアプローチは、決定論的汚染制御と呼ばれることもあり、圧力駆動膜システムにおける汚染挙動は、支配的な輸送および堆積メカニズムによって制御される明確な領域に従うことが多いという観察に基づいている。 ^{[ 5 ]}

ヘルミアの汚染法則から導き出されたものを含む古典的な記述では、フラックスの低下は細孔閉塞、中間メカニズム、ケーキ形成に関連付けられています。^{[ 6 ] [ 7 ]}

この文脈では、膜間圧力、クロスフロー速度、フラックスなどの運転パラメータは、限定的または可逆的なファウリングに関連する条件内に収まるように選択できます。このアプローチは、ファウリングが制御されたままとなる運転閾値を定義する臨界フラックスや境界フラックスなどの確立された概念に関連しています。^{[ 8 ] [ 9 ]}

このようなアプローチは、接線流ろ過（TFF）を用いたバイオ医薬品製造プロセスで広く応用されており、安定した流量と分離性能を維持するためには、汚染挙動の制御が重要である。^{[ 10 ]}

最近の技術分析では、物理的に導出された運転領域とシステム規模の輸送効果に基づいて、汚染挙動の統一的な解釈が提案されている。^{[ 11 ]}

用語は普遍的に標準化されておらず、膜工学における汚染制御に対するより広範なモデルベースおよびメカニズム的アプローチと重複している。^{[ 12 ]}

クロスフローろ過システムにおけるフラックスまたは流量は、次の式で与えられます。 ^{[ 4 ]}

${\displaystyle J={\frac {\Delta P}{(R_{\rm {m}}+R_{\rm {c}})\mu }}}$

その中で：

• ${\displaystyle J}$: 液体の流れ
• ${\displaystyle \Delta P}$膜間圧力（逆浸透膜の場合は浸透圧の影響も含むべきである）
• ${\displaystyle R_{\rm {m}}}$膜の抵抗（全体の多孔度に関連）
• ${\displaystyle R_{\rm {c}}}$ケーキの抵抗（変動あり；膜の汚染に関連）
• ${\displaystyle \mu }$: 液体の粘度

注記：${\displaystyle R_{\rm {m}}}$そして${\displaystyle R_{\rm {c}}}$導出過程に膜表面積の逆数を含めることで、膜面積の増加に伴ってフラックスが増加することがわかる。

• 行き止まりフィルタリング
• 膜の汚染

• IUPAC（国際純正・応用化学連合）の膜および膜プロセスに関する用語集（1996年）
• 限外ろ過学習センター
• タンパク質精製のためのクロスフローろ過法ハンドブック