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、クロスフロー濾過^{[1] （}タンジェンシャルフロー濾過^[2]とも呼ばれる）は濾過（特定の単位操作）の一種である。クロスフロー濾過は、供給物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、濾液が反対側から放出されるデッドエンド濾過とは異なる。クロスフロー濾過は、供給流の大部分がフィルター内に入るのではなく、フィルターの表面を接線方向に横切ることからその名が付けられている。 ^[1]この主な利点は、濾過ケーキ（フィルターを目詰まりさせる可能性がある）が濾過プロセス中に大幅に洗い流されるため、フィルターユニットを操作できる時間が長くなることである。バッチ式のデッドエンド濾過とは異なり、連続プロセスにすることができる。

このタイプのろ過は、通常、固形物がデッドエンドろ過でフィルター表面をすぐにブロック（目詰まり）する可能性があるため、小粒子サイズの固形物の割合が高い供給物（透過液が最も価値がある場合）に選択されます。この工業的な例としては、発酵液からの可溶性抗生物質の抽出が挙げられます。

クロスフローろ過プロセスの主な原動力は膜間圧です。膜間圧は、膜の両側の圧力差の尺度です。プロセス中、透過液の粘度が上昇すると膜間圧が低下する可能性があり、その結果、ろ過効率が低下し、大規模なプロセスでは時間がかかる場合があります。これは、透過液を希釈するか、システムの流量を増やすことで防ぐことができます。

手術

クロスフローろ過では、供給物は透過側に対して正圧でフィルター膜を横切って（接線方向に）通過します。膜の孔径よりも小さい物質の一部は透過物または濾液として膜を通過し、その他はすべて膜の供給側に保持物として保持されます。

クロスフローろ過では、膜を横切る流体の接線方向の動きによって、フィルター表面に捕捉された粒子が擦り落とされます。つまり、クロスフローフィルターは、目詰まりを起こすことなく、比較的高い固形物負荷で連続的に動作できます。

従来のろ過に比べて利点

フィルターケーキの形成を防ぐことで、全体的な液体除去率が向上します。
プロセスフィードは流動性スラリーの形で残り、さらなる処理に適しています。
製品スラリーの固形分含有量は広範囲にわたって変化する可能性がある。
粒子をサイズによって分別することが可能である^[3]
管状ピンチ効果

産業用途

クロスフロー膜ろ過技術は、世界中の産業界で広く使用されています。ろ過膜は、用途に応じてポリマー製またはセラミック製になります。クロスフローろ過の原理は、逆浸透、ナノろ過、限外ろ過、精密ろ過で使用されます。水を浄化する場合、従来の蒸発法と比較してコスト効率が非常に高くなります。

タンパク質精製では、タンジェンシャルフローろ過（TFF）という用語は、膜を使用したクロスフローろ過を表すために使用されます。このプロセスは、選択した膜の種類に応じて、精製中のさまざまな段階で使用できます。^[2]

工業用濾過装置の写真 (右) では、リサイクル配管が供給配管 (右側の垂直パイプ) や透過配管 (白いクランプの列の近くにある小さなマニホールド) よりもかなり大きいことがわかります。これらのパイプのサイズは、装置を流れる液体の割合に直接関係しています。固形分を多く含む残留液がプロセスの次の部分に移される前に、専用のポンプを使用して供給液を装置内で数回リサイクルします。

パフォーマンスを向上させるテクニック

逆洗

逆洗では、二次ポンプを使用して膜間圧力を定期的に逆転させ、透過水を供給水に逆流させ、膜表面から汚れ層を取り除きます。逆洗は螺旋状に巻かれた膜には適用できず、ほとんどの用途では一般的に行われていません。（CIP（定置洗浄）を参照）^[4]

交互接線流（ATF）

ダイヤフラムポンプは交互接線流を生成するために使用され、残留粒子を除去して膜の汚れを防ぎます。RepligenはATF システムの最大手メーカーです。

定置洗浄（CIP）

CIP システムは、一般的に、長時間使用後の膜の汚れを除去するために使用されます。CIP プロセスでは、洗剤、次亜塩素酸ナトリウムなどの反応性薬剤、クエン酸や水酸化ナトリウム (NaOH) などの酸やアルカリが使用されることがあります。一部の膜プラントでは、次亜塩素酸ナトリウム (漂白剤) を供給から除去する必要があります。漂白剤は薄膜膜を酸化します。酸化により膜が劣化し、定格除去レベルで機能しなくなるため、交換が必要になります。システムの初回起動時に、らせん状に巻かれた膜をプラントにロードする前に、水酸化ナトリウム CIP に漂白剤を追加して、システムの消毒に役立てることができます。また、漂白剤は、次亜塩素酸ナトリウムに対する耐性がらせん状に巻かれた膜よりもはるかに高いため、有孔ステンレス鋼 (Graver) 膜の CIP にも使用されます。主な CIP 化学物質としては、苛性剤と酸が最もよく使用されます。苛性剤は有機汚れを除去し、酸はミネラルを除去します。酵素溶液は、膜プラントから有機汚染物質を除去するために、一部のシステムでも使用されています。pH と温度は CIP プログラムにとって重要です。pH と温度が高すぎると、膜が劣化し、フラックス性能が低下します。pH と温度が低すぎると、システムは適切に洗浄されません。アプリケーションごとに CIP 要件は異なります。たとえば、乳製品の逆浸透(RO) プラントでは、浄水 RO プラントよりも厳格な CIP プログラムが必要になる可能性が高くなります。膜メーカーはそれぞれ、自社製品の CIP 手順に関する独自のガイドラインを持っています。

集中

透過流を発生させることで、流体の体積が減少します。溶媒、溶質、膜の孔径よりも小さい粒子は膜を通過しますが、孔径よりも大きい粒子は保持され、濃縮されます。バイオプロセス用途では、濃縮の後に透析濾過が行われる場合があります。

透析濾過

スラリーから透過成分を効果的に除去するために、透過流量と同じ速度で新しい溶媒を供給液に加えて透過量を補充し、システム内の容積が一定に保たれるようにします。これは、可溶性成分を除去するためにフィルターケーキを洗浄するのと似ています。^[4]希釈と再濃縮は、「ダイアフィルトレーション」と呼ばれることもあります。

プロセスフローの中断 (PFD)

逆洗よりも技術的に簡単なアプローチは、透過出口を一時的に閉じて膜間圧力をゼロに設定することです。これにより、2 番目のポンプを必要とせずに汚れ層の摩耗が促進されます。PFD は汚れの除去において逆洗ほど効果的ではありませんが、有利な場合があります。

流量計算

クロスフローろ過システムにおける流量は次の式で表されます: [ 4 ^]

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

ここで:

$J$ : 液体フラックス
$\デルタP$ : 膜間圧（逆浸透膜の浸透圧の影響も含める）
$R_{\rm {m}}$ : 膜の抵抗（全体の多孔度に関連）
$R_{\rm {c}}$ : ケーキの抵抗（可変、膜の汚れに関連）
$\mu$ : 液体の粘度

注:および導出には膜表面積の逆数が含まれます。したがって、膜面積が増加するとフラックスも増加します。 $R_{\rm {m}}$ $R_{\rm {c}}$

参照

参考文献

^ ab Koros WJ、Ma YH、Shimidzu T (1996年6月)。「膜および膜プロセスの用語 (IUPAC)」(PDF)。Pure Appl. Chem . 86 ( 7): 1479–1489。doi : 10.1351 /pac199668071479。S2CID 97076769。
^ ab ミリポア技術ライブラリ: タンジェンシャルフローろ過によるタンパク質濃縮と透析ろ過
^ Bertera R、Steven H、Metcalfe M (1984 年 6 月)。「クロスフローろ過の開発研究」。The Chemical Engineer。401 : 10。
^ abc JF Richardson; JM Coulson; JH Harker; JR Backhurst (2002). Coulson and Richardson's Chemical Engineering (Volume 2) (第5版). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4445-1。

外部リンク

膜および膜プロセスに関する IUPAC 用語集 (1996)
限外濾過学習センター
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

[IUPAC-1] Koros WJ、Ma YH、Shimidzu T (1996年6月)。「膜および膜プロセスの用語 (IUPAC)」(PDF)。Pure Appl. Chem . 86 ( 7): 1479–1489。doi : 10.1351 /pac199668071479。S2CID 97076769。

[Millipore-2] ミリポア技術ライブラリ: タンジェンシャルフローろ過によるタンパク質濃縮と透析ろ過

[3] Bertera R、Steven H、Metcalfe M (1984 年 6 月)。「クロスフローろ過の開発研究」。The Chemical Engineer。401 : 10。

[Coulson-4] JF Richardson; JM Coulson; JH Harker; JR Backhurst (2002). Coulson and Richardson's Chemical Engineering (Volume 2) (第5版). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4445-1。