限外濾過

限外濾過（UF ）は、圧力や濃度勾配などの力を利用して半透膜を通した分離を行う膜濾過の一種です。浮遊物質や高分子量の溶質はいわゆる保持液に保持され、水や低分子量の溶質は膜を通過して透過液（濾液）になります。この分離プロセスは、高分子（10 ³ –10 ⁶ Da）溶液、特にタンパク質溶液を精製および濃縮するために、産業や研究で使用されています。

限外濾過は、精密濾過と基本的に同じです。これらは両方とも、サイズ排除または粒子捕捉に基づいて分離されます。これは、吸収量の違いと拡散速度の違いに基づいて分離する膜ガス分離とは根本的に異なります。限外濾過膜は、使用する膜の分子量カットオフ(MWCO)によって定義されます。限外濾過は、クロスフロー モードまたはデッドエンド モードで適用されます。

化学薬品や医薬品の製造、食品や飲料の加工、廃水処理などの業界では、流れをリサイクルしたり、後の製品に付加価値を付けたりするために限外濾過を採用しています。血液透析でも限外濾過が利用されています。^[要出典]

限外濾過は、原水から微粒子や高分子を除去して飲料水を製造するために使用できます。水処理プラントで使用されている既存の二次濾過（凝固、凝集、沈殿）および三次濾過（砂濾過および塩素処理）システムを置き換えるために、または人口が増加している隔離された地域ではスタンドアロンシステムとして使用されています。^[1]浮遊物質が多い水を処理する場合、多くの場合、UFはプロセスに統合され、一次処理（スクリーニング、浮遊、濾過）といくつかの二次処理を前処理段階として利用します。^[2]現在、UFプロセスは、次の理由により従来の処理方法よりも好まれています。

• 化学薬品は不要（洗浄以外）
• 飼料の品質に関係なく製品の品質が一定
• コンパクトなプラントサイズ
• 水質規制基準を超え、90～100%の病原体除去を達成^[3]

UFプロセスは現在、膜の汚れや交換に伴うコストの高さによって制限されています。^[4]膜ユニットへの過度の損傷を防ぐために、供給水の追加の前処理が必要です。

多くの場合、UF は逆浸透(RO) プラントで RO 膜を保護するための前濾過に使用されます。^{[引用が必要]}

UFは乳製品業界で広く使用されています。^[5]特に、チーズホエーを処理してホエータンパク質濃縮物（WPC）とラクトースを豊富に含む透過液を得るのに使用されています。^{[6] [7]}単一段階で、UFプロセスはホエーを飼料の10〜30倍に濃縮することができます。^[8]
ホエーの膜ろ過の元々の代替手段は、蒸気加熱に続いてドラム乾燥またはスプレー乾燥を使用することでした。これらの方法の製品は、その粒状の質感と不溶性のために用途が限られていました。既存の方法はまた、製品組成に一貫性がなく、資本コストと運用コストが高く、乾燥に使用される過度の熱のためにタンパク質の一部が変性することが多かったです。^[6]
従来の方法と比較して、この用途に使用されるUFプロセス：^{[6] [8]}

• エネルギー効率が高い
• 一貫した製品品質を持ち、動作条件に応じて35～80%のタンパク質製品
• 中程度の操作条件を使用するため、タンパク質を変性させません。

汚染の可能性は広く議論されており、生産性低下の大きな要因として認識されています。^{[6] [7] [8]}チーズホエーには高濃度のリン酸カルシウムが含まれており、膜表面にスケールが堆積する可能性があります。その結果、カルシウム塩の溶解性を維持するために、供給物のpHと温度のバランスをとるための十分な前処理を実施する必要があります。^{[8] [9]}

• 製紙パルプ工場からの排水のろ過
• チーズ製造、限外濾過乳を参照
• 牛乳から細菌を除去する
• プロセスおよび廃水処理
• 酵素回収
• 果汁の濃縮と清澄化
• 透析およびその他の血液治療
• タンパク質の脱塩および溶媒交換（透析濾過による）
• ラボグレードの製造
• 骨コラーゲンの放射性炭素年代測定
• 電着塗料の回収
• 油およびラテックスエマルジョンの処理
• パルプ廃液中のリグニン化合物の回収

限外濾過の基本的な動作原理は、圧力によって半透膜を通して溶質を溶媒から分離することです。分離する溶液に加えられる圧力と膜を通過する流量の関係は、一般的にはダルシーの式で表されます。

${\displaystyle J={TMP \over \mu R_{\mathrm {t} }}}$、

ここで、Jはフラックス（膜面積あたりの流量）、TMPは膜間圧力（供給流と透過流の圧力差）、μは溶媒粘度、R _{t は}総抵抗（膜抵抗とファウリング抵抗の合計）です。^{[引用が必要]}

濾過が行われると、膜表面で除去された物質の局所的な濃度が増加し、飽和状態になることがあります。UF では、イオン濃度の増加により膜の供給側に浸透圧が発生する可能性があります。これにより、システムの有効 TMP が低下し、したがって透過速度が低下します。膜壁の濃縮層の増加により、抵抗が増加して溶媒が膜表面を輸送する駆動力が減少するため、透過流束が減少します。CP は、利用可能なほぼすべての膜分離プロセスに影響します。RO では、膜層に保持された溶質により、バルク ストリームの濃度と比較して浸透圧が高くなります。そのため、この浸透圧を克服するには、より高い圧力が必要です。限外濾過では、膜の細孔サイズが小さいため、精密濾過と比較して濃度分極が支配的な役割を果たします。^[10] 濃度分極は、膜自体に永続的な影響を及ぼさず、TMP を軽減することで元に戻すことができるため、ファウリングとは異なります。ただし、多くの種類のファウリングに大きな影響を与えます。^[11]

^[12] UF膜の汚染物質は、以下の4つのカテゴリーで定義されます。

• 生物学的物質
• 高分子
• 微粒子
• イオン

以下のモデルは、膜表面および細孔への粒子沈着のメカニズムを説明しています。

• 標準的なブロッキング：高分子が細孔壁に均一に堆積する
• 完全遮断：膜孔が高分子によって完全に密閉される
• ケーキ形成：蓄積された粒子または高分子が膜表面に汚れ層を形成します。UFでは、これはゲル層とも呼ばれます。
• 中間閉塞：高分子が細孔内またはすでに閉塞している細孔上に沈着し、ケーキ形成に寄与する^[13]

膜表面での濃度分極の結果、イオン濃度が上昇すると溶解度閾値を超え、膜表面に沈殿することがあります。これらの無機塩の沈殿物は細孔を塞ぎ、透過流束の低下、膜の劣化、生産性の低下を引き起こす可能性があります。スケールの形成は、pH、温度、流速、浸透率など、溶解度と濃度分極の両方に影響を与える要因に大きく依存します。^[14]

微生物は膜表面に付着してゲル層を形成します。これをバイオフィルムと呼びます。 ^[15]このフィルムは流れに対する抵抗を増加させ、浸透に対する追加の障壁として機能します。スパイラル巻きモジュールでは、バイオフィルムによって形成された閉塞により流れの分布が不均一になり、濃度分極の影響が増大する可能性があります。^[16]

膜の形状と材質に応じて、異なるモジュールを限外濾過プロセスに使用できます。^[17]市販されている限外濾過モジュールの設計は、必要な流体力学的および経済的制約、および特定の動作圧力下でのシステムの機械的安定性によって異なります。^[18]業界で使用されている主なモジュールは次のとおりです。

管状モジュールの設計では、直径が通常5～25 mm、長さが0.6～6.4 mのプラスチックまたは多孔質紙の部品の内側に鋳造されたポリマー膜を使用します。 ^[6]複数のチューブがPVCまたはスチールシェルに収納されています。モジュールの供給物はチューブを通過し、透過液がシェル側に放射状に移動します。この設計により簡単に洗浄できますが、主な欠点は透過性が低いこと、膜内の体積ホールドアップが大きいこと、充填密度が低いことです。^{[6] [18]}

この設計は、概念的にはシェルとチューブの配置を備えたチューブ状モジュールに似ています。1 つのモジュールは 50 から数千の中空繊維で構成できるため、チューブ状の設計とは異なり自立型です。各繊維の直径は 0.2～3 mm で、チューブ内を原料が流れ、透過した製品は外側に放射状に集められます。自立型膜の利点は、バックフラッシュが可能なため洗浄が容易なことです。ただし、繊維が 1 本でも不良になると束全体を交換する必要があるため、交換コストは高くなります。チューブの直径が小さいことを考慮すると、この設計を使用するとシステムが詰まりやすくなります。^[8]

薄いメッシュ状のスペーサー材で区切られた平らな膜シートの組み合わせで構成され、このスペーサー材は多孔質プラスチックスクリーンサポートとして機能します。これらのシートは中央の多孔管の周りに巻かれ、管状の鋼鉄圧力容器のケースに取り付けられます。供給溶液は膜表面を通過し、透過液は中央の収集管にらせん状に流れ込みます。スパイラル巻きモジュールは、限外濾過設計におけるコンパクトで安価な代替手段であり、高い容積スループットを提供し、簡単に洗浄することもできます。^[18]ただし、細いチャネルによって制限され、供給溶液に浮遊物質が含まれていると、膜の細孔が部分的に詰まる可能性があります。^[8]

これは、メッシュのような材料で区切られた平板上に置かれた膜を使用します。供給物はシステムを通過し、そこから透過液が分離され、プレートの端から収集されます。チャネルの長さは10〜60 cm、チャネルの高さは0.5〜1.0 mmです。^[8]このモジュールは、この特定の設計に特有の、低いチャネルの高さにより、低容量ホールドアップ、比較的簡単な膜の交換、粘性溶液の供給能力を提供します。^[18]

UFシステムのプロセス特性は、使用される膜の種類とその用途に大きく依存します。膜メーカーの仕様では、プロセスが次の典型的な仕様に制限される傾向があります。^{[19] [20] [21] [22]}

新しい膜分離施設を設計する場合、または既存のプラントへの統合を検討する場合、考慮すべき要素が多数あります。ほとんどのアプリケーションでは、ヒューリスティック アプローチを適用してこれらの特性の多くを決定し、設計プロセスを簡素化できます。設計領域には次のものがあります。

膜の損傷を防ぎ、分離効率を大幅に低下させる汚れの影響を最小限に抑えるためには、膜前の供給原料の処理が不可欠です。前処理の種類は、供給原料の種類とその品質によって決まることがよくあります。たとえば、廃水処理では、家庭ごみやその他の粒子がふるいにかけられます。多くのUFプロセスに共通するその他の前処理の種類には、pHバランス調整や凝固などがあります。^{[23] [24]}各前処理段階の適切な順序付けは、後続の段階への損傷を防ぐために重要です。前処理は、単に投与ポイントを使用するだけでも使用できます。

ほとんどの UF 膜はポリマー材料 (ポリスルホン、ポリプロピレン、セルロースアセテート、ポリ乳酸) を使用しますが、高温用途にはセラミック膜が使用されます。 ^[要出典]

UFシステムにおける孔径の選択の一般的なルールは、分離する粒子サイズの10分の1の孔径を持つ膜を使用することです。これにより、孔に入り込んで孔表面に吸着する小さな粒子の数が制限されます。代わりに、粒子は孔の入り口を塞ぐため、クロスフロー速度を簡単に調整するだけで粒子を取り除くことができます。^[8]

UF システムは、クロスフローまたはデッドエンドフローのいずれかで動作できます。デッドエンドろ過では、供給溶液の流れは膜表面に対して垂直です。一方、クロスフローシステムでは、流れは膜表面に対して平行になります。^[25]デッドエンド構成は、膜表面に固形物が蓄積するため、高い流量を維持するために頻繁なバックフラッシュと洗浄が必要になるため、浮遊固形物が少ないバッチプロセスに適しています。クロスフロー構成は、固形物が膜表面から連続的に洗い流されるため、ケーキ層が薄くなり、浸透抵抗が低くなるため、連続操作に適しています。^[要出典]

流速は、硬水や懸濁液を含む液体の場合、過度の汚れを防ぐために特に重要です。クロスフロー速度を高くすると、膜表面の掃引効果を高めて高分子やコロイド物質の堆積を防ぎ、濃度分極の影響を軽減できます。ただし、これらの条件を達成するには高価なポンプが必要です。^{[引用が必要]}

膜への過度の損傷を避けるために、膜メーカーが指定した温度でプラントを運転することが推奨されます。ただし、汚れの影響を最小限に抑えるために、推奨温度を超える温度が必要になる場合もあります。^[24]膜交換のコスト増加と分離の生産性の間の妥協点を見つけるには、プロセスの経済分析が必要です。^[要出典]

多段分離における圧力降下は、プロセスの後半段階でフラックス性能の大幅な低下につながる可能性があります。これは、最終段階でTMPを上げるためのブースターポンプを使用することで改善できます。これにより、資本とエネルギーのコストが増加しますが、プロセスの生産性の向上によって相殺されます。^[24]多段操作では、各段階からの保持ストリームが前の段階を通じてリサイクルされ、分離効率が向上します。

複数の段階を直列に接続することで、より純度の高い透過水流を実現できます。膜プロセスのモジュール性により、複数のモジュールを並列に配置して、より大量の処理を行うことができます。^[26]

製品ストリームの後処理は、透過水と未透過水の組成、最終用途、または政府の規制によって異なります。牛乳の分離などの場合には、両方のストリーム (牛乳とホエー) を収集して有用な製品にすることができます。未透過水をさらに乾燥させると、ホエー パウダーが生成されます。製紙工場では、未透過水 (非生分解性有機物) はエネルギーを回収するために焼却され、透過水 (精製水) は水路に排出されます。水路の熱汚染と pH の変化を避けるために、透過水の pH バランスを整えて冷却することが不可欠です。^{[引用が必要]}

膜の洗浄は、汚れの蓄積を防ぎ、汚れによる透過性と選択性の低下を逆転させるために定期的に行われます。
膜表面に形成されたケーキ層を除去するために、一部のプロセスでは、10分ごとに定期的な逆洗が行われることがよくあります。^[8]透過流を加圧して膜に押し戻すことで、蓄積した粒子を取り除き、プロセスの流量を改善できます。逆洗では、生物付着、スケーリング、細孔壁への吸着など、より複雑な汚れを除去する能力に限界があります。^[27]
これらのタイプの汚れを除去するには、化学洗浄が必要です。洗浄に使用される一般的な化学物質は次のとおりです。^{[27] [28]}

• 無機スケール堆積物を制御するための酸性溶液
• 有機化合物の除去のためのアルカリ溶液
• 生物汚染が明らかな場合は、塩素や過酸化物などの殺生物剤または消毒剤を使用する

洗浄プロトコルを設計する際には、以下の点を考慮することが重要です。
洗浄時間– 化学物質が汚染物質と相互作用し、膜の細孔に浸透するのに十分な時間を確保する必要があります。ただし、プロセスが最適な時間を超えて延長されると、膜の変性や除去された汚染物質の堆積につながる可能性があります。^[27]段階間のすすぎを含む完全な洗浄サイクルは、完了するまでに2時間ほどかかる場合があります。^[29]
化学処理の強度– 汚染の程度が高い場合は、汚染物質を除去するために強力な洗浄液を使用する必要がある場合があります。ただし、一部の用途では、膜材料が敏感な場合はこれが適切ではなく、膜の老化が促進される可能性があります。
洗浄廃液の処分– 一部の化学物質は廃水システムへの放出が禁止または規制されている場合があるため、これを考慮する必要があります。たとえば、リン酸を使用すると、高レベルのリン酸塩が水路に流入する可能性があるため、富栄養化を防ぐために監視および制御する必要があります。

一般的な汚染の種類とそれぞれの化学処理の概要^[8]

膜ろ過システムの寿命を延ばすために、膜バイオリアクターシステムではエネルギー効率の高い膜が開発されています。膜を洗浄するために通気するために必要な電力を削減しながら、高い流量レベルを維持する技術が導入されました。従来の洗浄方法の代わりに、顆粒を使用した機械的洗浄プロセスも採用されており、これによりエネルギー消費が削減され、ろ過タンクに必要な面積も削減されます。^[30]

膜の特性も表面特性を変更することで汚れの付着性を減らすように強化されてきました。これはバイオテクノロジー業界で顕著で、タンパク質結合量を減らすために膜表面が変更されています。^[31]限外濾過モジュールも、より効率的なモジュール内部の設計により、汚れのリスクを増やすことなく、特定の領域に膜を増やすことができるように改良されています。

現在の海水脱硫前処理では、設置面積が小さく、高温高圧に耐えられるように設計された限外濾過モジュールが使用されています。各モジュール容器は自立型で耐腐食性があり、容器自体を交換するコストをかけずにモジュールの取り外しや交換が簡単に行えます。^[30]

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• ウィキメディア・コモンズの限外濾過に関連するメディア