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よりトータルに。よりシステマティックに。
のフィルターホルダー＆フィルトレーションシステム。
■濾過実験の重要性
濾過は、「濾過効率」「流量」「濾過寿命」の３要素を考慮し、合理的に、しかも確実な作業をする必要があります。ただし、これらの要素は、フィルターの孔径、濾液の物理的・化学的性質、混入粒子の量と形態、濾過圧力、濾過器の大きさと構造、配管径などさまざまな因子の影響を受けます。
特に、「濾過の３要素」に直接影響を与えるのは濾過面積です。すなわち、濾過面積の適正化が濾過システム設計上の最大のポイントといえます。
必要以上に濾過面積を大きくすることは濾過器の大型化を招き、濾過コストを押し上げる原因にもなります。一方、あまり濾過面積が小さいと、流量と濾過時間の制約がある場合、許容範囲内での濾過が行えません。
安易な推定で決定せずに、小規模なものであっても実際の濾過液で濾過実験を行い、そのデータをもとにして、さらに安全率を加味し、濾過面積を決定することが濾過器選びとシステム構築の基本となります。
■濾過実験
装置-１および装置-２は濾過実験を行う際に必要な装置の一般例です。
装置-１は、タンク付ホルダーによる濾過装置です。１回当りの濾過量は濾過器のタンク容量(KST-47の場合は200mL)に限られますので、主に高粘度溶液、高濃度蛋白質溶液などの難濾過性液の実験に用います。
装置-２は、濾過器に加圧容器を連結したもので主に易濾過性液の実験に用います。例えば、DV-10タンクでは連続10Lの濾過が行えます。ただし、濾過する液が温度により粘性が著しく変化したり、一定の温度範囲内でないと変性を生じる場合には、温度に対する考慮が不可欠となります。さらに沈降性粒子が多く含まれている場合には、攪拌も必要となります。このような場合には、濾過テスト装置［TSU-90A､ TSU-90B］および加圧濾過用ジャケット・攪拌台座付タンク［DV-10-JA］をおすすめします。これらの装置を用い、実際規模の濾過に適用するために表-１の各項目を確認してください。以下に具体例を挙げて説明します。～の手順に従って水道水から0.45μmカットの無粒子水2kLを得る場合の必要最小濾過面積の割出しと、濾過器の選定をしてみましょう。
装置-２による濾過実験で平均流量と濾過量を求めます。
得られたデータから、「総濾過量と平均流量」のグラフを作成します。
グラフ作成時は単位に注意してください(図-１)。
初期流量の1/4～1/5に減衰した時点(変圧濾過においては初期差圧が４～５倍となった時点)を求めます〔図-１からは10mL／min・cm2となります〕(この時点をフィルターの濾過寿命とし、交換されることが最も効率的であるとされています)。
図-１より初期流量の1/5(または1/4)に減衰した時点の流量に対する総濾過量を読み取ります(図-１からは40kL/m2となります)。なお、濾過時間は、この総濾過量を得るまでの実測時間がそのまま当てはまります。
図-１から読み取った総濾過量のデータより、比例計算でフィルターの濾過面積を求めます〔40kL/m2濾過できますから、2kL濾過するには濾過面積500cm2が必要となります(表-２)〕。
求めた濾過面積(500cm2)よりやや大きい有効濾過面積を有する濾過器を選定します〔KS-293あるいはKS-293-ST(有効濾過面積 530cm2)となります〕。
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装置－１ 装置－２
■表－１ 濾過実験で確認する項目
項目 測定器具 測定理由および判明事項
温度 温度計
温度条件による流量変化
混入粒子の溶解変化による効率の差異
粘度 粘度計
粘度条件による流量変化
粒子分解、凝集状態の変動に伴う効率の差異
濁度 濁度計
比色計
捕集効率の測定
圧力 圧力計
圧力条件による流量の変化、総濾過量の変化
流量 メスシリンダー
流量計
時間当りの流量測定
濾材が目づまるまでの時間測定
時間 ストップウォッチ
総濾過量 メスシリンダー
積算流量計
濾過寿命の測定
攪拌 スターラー
攪拌機
攪拌の必要性判定
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■ 濾過実験データの解析と濾過器の選定
装置-１もしくは装置-２を用いて濾過実験を行う際の圧力値は、実際に行う工業的濾過時と同一圧力で行います。しかし、工業的規模では定圧濾過で行う場合よりも、定速濾過や変圧変速濾過で行われる場合が多く見受けられます。その場合には、実際の濾過時に設定されている最高圧力で濾過実験を行ってください。これは一般に濾過差圧が高い程、濾過寿命が短くなりますので濾過面積の割出しに安全率を加味する意味を持ちます。
■ 図－１ 水道水濾過時の総濾過量と平均流量の関係
■表－２ 総濾過面積
項目 総濾過量(濾過寿命) 濾過面積
濾過実験データ 40kL 1m2=10,000cm2
求める数値 2kL X=500cm2
■ 濾過システムの設計
濾過システムの設計は、次の３点に留意して行う必要があります。 プレフィルトレーションにより前処理を十分に行うこと。
濾材に逆圧がかからないようにすること。
濾過系全体を容易に洗浄できること。
特には、濾過実験による十分なデータ採取が必要です。
一般的に10㎎/L(ppm)を超える高い粒子濃度の場合には前処理を行うことが必要となってきます。特にメンブレンフィルターの場合は、濾過寿命への影響が顕著に表れます。清澄濾過のシステムを設計する場合、これらの前処理をいかに巧妙に行い、ファイナルフィルターの負荷を小さくするかが最大のポイントといっても過言ではありません。
圧力源は、濾過の目的・性質・処理量などにより最適なものを選定する必要があります。フィルター上に捕集した粒子の分析など小規模な場合は、真空ポンプやアスピレーターなどによる減圧濾過で行われます。また、濾液の性質により圧力源が限定される場合もあります。
蒸気圧の低い溶剤は、減圧濾過では蒸発損失が起り不向きです。蛋白質溶液は減圧濾過では泡立ち変性を起す危険があり、また、強烈な攪拌により変性を受ける場合もあるため、ポンプ送液には不向きです。このような場合は、空気や窒素ガスによる加圧濾過が適切です。処理量によっても圧力源は限定されます。一般的には、小容量濾過(0.1L～2L)は減圧、小容量～中容量濾過(2L～200L)は気体による加圧、大容量濾過(200L以上)はポンプによる加圧で設計されます。配管系は、洗浄性および配管抵抗を考慮しなければなりません。濾過滅菌などの精密濾過分野では、特に分解・洗浄・乾燥が容易に行えるよう設計する必要があります。これは微生物汚染を最小限にするだけでなく、配管系からの溶出物を防止する意味からも大切なことです。また、配管径は、太ければ太いほど抵抗も低く圧力源からのエネルギーロスもなくなりますが、コストは高くなります。一般的には、処理量と必要とする流量から適正な配管径を割り出します。濾過システムの設計に当っては以上のことを考慮し、また、濾過実験により得られたデータをもとに設計してください。
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