JP6217416B2 - 固液分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体中に含まれている固体粒子を分離するための固液分離装置に関するもので、特に、液体との密度差がないか又は小さい固体粒子の分離に有効な固液分離装置に関するものである。

細胞や、藻類、その他の微生物を培養して、医薬品、燃料やその他の有用物質を生産する場合は、前記有用物質の回収処理を開始する際、培養された細胞や微生物等を、水中（培養液中）より分離する前処理が必要とされる。

又、海水の淡水化処理やシェールガス随伴水等の脱塩処理を行う手法として、逆浸透膜法や正浸透膜法がある。かかる逆浸透膜法や正浸透膜法を実施する場合は、膜処理の実施前に、前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子を分離して除去することが求められる。更に、前記海水の淡水化処理やシェールガス随伴水等の脱塩処理の場合は、水中に含まれている藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子についても、前処理で分離して除去することが望まれる。

更には、湖沼の浄化を目的として、水から藻類等の微生物を分離することも行われている。

固液分離を実施する場合は、分離対象となる固体粒子と、その分散媒となっている液体との密度差を利用した固液分離手法が広く一般的に行われている。すなわち、固体粒子の密度が液体の密度よりも大きい場合は、沈降分離が行われる。一方、固体粒子の密度が液体の密度よりも小さい場合は、浮上分離が行われている。又、前記固体粒子と液体との密度差が比較的小さい場合は、前記と同様の固液密度差に基づく固体粒子の沈降や浮上を、遠心力を利用して促進させるようにした遠心分離が広く行われている。

しかし、培養された細胞や微生物等、及び、水中に含まれている砂、粘土、コロイド、藻類やその他の微生物と、その死骸や代謝物は、粒径が小さく、更には、分散媒である培養液や水との密度差がないか又は該密度差が小さい粒子となっている場合がある。

そのために、このような固体粒子は、沈降分離や浮上分離や遠心分離のような固液密度差を利用した従来の一般的な固液分離手法では、液体から分離させることが困難である。以降、本明細書において、液体との密度差が小さい固体粒子とは、固体粒子の密度と、液体の密度に、通常の遠心分離では固液分離が困難になる程度の密度差しかない場合の固体粒子を意味するものである。

ところで、剪断速度勾配を有する液体の流れの中に存在する固体粒子には、該固体粒子と液体との密度差の有無にかかわらず、サフマン揚力が作用することが知られている。

又、サフマン揚力を利用して液体中の粒子を或る分離粒径を基準として分離する手法が、従来提案されている。これは、透過性を有する膜に液体の透過流を形成させるときに、該膜の上流面側に、膜表面に沿う方向の剪断速度勾配を有する液体の流れを生じさせて、前記分離粒径に対応する粒径の粒子に作用するサフマン揚力（剪断揚力）が前記膜の透過流の速度と等しくなるようにさせる手法である。かかる手法によれば、前記分離粒径以上の粒径を持つ粒子は、前記サフマン揚力の作用により膜の上流面側に保持されるため、膜を透過する前記分離粒径よりも小さい粒径の粒子との分離を行うことができるとされている（たとえば、特許文献１参照）。

ところが、特許文献１に示された手法は、液体中の粒子を粒径に応じて分離するための手法に過ぎず、液体との密度差がないか又は小さい固体粒子についての固液分離処理を行うものではない。

更に、特許文献１には、透過性を有する膜のファウリング（目詰まり）に対する対策は何ら示されていない。

特表２００１−５０３６６９号公報

そこで、本発明は、液体との密度差がないか又は小さい固体粒子を液体から分離させるための固液分離処理を、膜のファウリングを防止しながら長期に亘り安定して実施することができる固液分離装置を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、請求項１に対応して、上下方向に延び且つ周壁に多孔質濾材を備える固定円筒壁と、前記固定円筒壁の外周に同心状に配置した回転円筒壁、及び、該回転円筒壁の下端部を閉塞させる端壁を備えた回転容器と、前記固定円筒壁と、前記回転円筒壁の間に形成された環状の液体充填空間と、前記液体充填空間の軸心方向の一端側に設けた、粒径が小さい粒子であって、液体との固液密度差がないか又は小さい粒子を含む原液を供給する原液入口と、前記液体充填空間の軸心方向の他端側の外周寄りに設けた粒子濃縮液出口と、前記固定円筒壁の内側に上流側端部を接続した清澄液回収管と、前記固定円筒壁の内外に、内側の圧力が外側の液体充填空間の圧力よりも低くなる差圧を発生させるための差圧発生手段と、前記回転容器を回転させる回転駆動装置とを備えて、前記回転容器の回転円筒壁を回転させることにより、前記液体充填空間内の原液に、内周側より外周側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する周方向の流れ場を形成し、原液中に含まれる前記粒子が、前記流れ場の中で作用するサフマン揚力により外周寄りに濃縮されて前記粒子濃縮液出口より回収され、前記原液より前記粒子の清澄化が図られる清澄液が、前記固定円筒壁の内側に回収される構成とし、更に、前記固定円筒壁の多孔質濾材におけるファウリングの状況を検出するためのファウリング検出手段と、前記ファウリング検出手段からの入力に基づいて、前記回転駆動装置による前記回転容器の反転を制御する制御装置を備えた構成を有する固液分離装置とする。

又、請求項２に対応して、前記請求項１の構成において、前記固定円筒壁の多孔質濾材におけるファウリングを検出するための前記ファウリング検出手段は、前記固定円筒壁の外側と内側の差圧を計測する差圧計とし、前記制御装置は、前記差圧計より入力される差圧の計測結果が、予め設定してある或る設定値まで増加すると、前記回転駆動装置に対し前記回転容器の回転方向を反転させる指令を与えるものである構成とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）本発明の固液分離装置では、粒径が小さい粒子で、分散媒の液体との固液密度差がないか又は小さい粒子であっても、該粒子を含む原液を連続的に固液分離処理して、濃縮された粒子を含む粒子濃縮液と、該粒子についての清澄化が図られた清澄液とを分離して回収することができる。したがって、本発明の固液分離装置は、培養された細胞や微生物等、及び、水中に含まれている砂、粘土、コロイド、藻類やその他の微生物と、その死骸や代謝物のような固体粒子を培養液や水などの液体から分離させるための固液分離処理を、実施することができる。
（２）更に、本発明の固液分離装置は、前記固定円筒壁の多孔質濾材のファウリングが進行すると、液体充填空間にて発生させる剪断速度勾配を有する周方向の流れ場の方向を反転させることで、ファウリングの除去（洗浄）を行うことができるため、前記固液分離処理を、長期に亘り安定して実施することができる。

本発明の固液分離装置の実施の一形態を示す概略切断側面図である。 図１のＡ−Ａ方向矢視図である。 本発明の実施の他の形態を示す概略切断側面図である。 本発明の実施の更に他の形態を示す概略切断側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明の固液分離装置の実施の一形態を示すものである。

すなわち、本発明の固液分離装置は、図１及び図２に符号１で示すもので、上下方向に延びる円筒形状とした固定円筒壁２を備える。該固定円筒壁２は、周壁に備えた多孔質濾材を通して、後述する粒子（固体粒子）４を含む原液３より分離させる清澄液５を、該周壁の内外方向に透過させることができるようにしてある。なお、図示する便宜上、図１及び図２では粒子４のサイズを拡大して示してある（後述する図３も同様）。

なお、前記多孔質濾材が該固定円筒壁２の形状を保持できるような強度や剛性を備えた材料である場合は、該固定円筒壁２全体を、多孔質濾材製とすればよい。一方、前記多孔質濾材が、前記固定円筒壁２の形状を保持できるような強度や剛性を備えていない濾過膜（フィルタ）である場合は、該固定円筒壁２は、図示してないが、周壁の形状（外形）を保持するための格子状等の開口部を有するフレームの開口部に、前記多孔質濾材としての濾過膜を取り付けてなる構成とすればよい。前記固定円筒壁２に備える前記多孔質濾材（濾過膜を含む）の孔径は、前記原液３に含まれていて前記清澄液５との分離を望む粒子４の粒径に応じて、精密濾過膜、限外濾過膜、ナノ濾過膜等と同様の濾過処理が行えるように適宜選定してあるものとする。

前記固定円筒壁２の外側には、該固定円筒壁２の外径よりも大きな内径を有する円筒形状の円筒壁７と、該円筒壁７の下端側を閉塞させる端壁８とからなり、且つ該端壁８の中央に取り付けた駆動軸９を中心として回転可能な回転容器６の前記円筒壁（以下、回転円筒壁と云う）７を、同心状に配置する。これにより、前記固定円筒壁２の外周面と、前記回転円筒壁７の内周面との間には、軸心方向、すなわち、上下方向に延びる環状の液体充填空間１０が形成される。なお、前記固定円筒壁２の下端は、前記回転容器６の端壁８の内面に近接配置させることにより、端壁８との隙間を小さくできる。これにより、その隙間を通した固定円筒壁２の内外方向の液体の流通は抑制できる。

前記回転容器６の駆動軸９は、双方向回転が可能な回転駆動装置１１に接続してある。これにより、該回転駆動装置１１を運転させて前記駆動軸９と一体に前記回転容器６を周方向の一方向又は他方向へ回転駆動させると、前記液体充填空間１０では、前記回転円筒壁７が、対向する固定円筒壁２に対して前記周方向の一方向又は他方向に連続的に相対移動する構成とされている。

このため、前記液体充填空間１０に液体が満たされている状態で、前記回転円筒壁７を、図２に矢印ｒ１で示す平面視時計回り方向に回転させる場合は、該回転円筒壁７近傍の液体が同伴されて前記矢印ｒ１方向に移動する。これにより、前記液体充填空間１０内の液体には、図２に概略を示すように、前記固定円筒壁２側から回転円筒壁７側、すなわち、内周側から外周側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配ｇ１を有する平面視時計回り方向（前記矢印ｒ１方向）の流れ場が、周方向の全域に亘り形成される。

同様に、前記液体充填空間１０に液体が満たされている状態で、前記回転円筒壁７を、図２に二点鎖線の矢印ｒ２で示す如き平面視反時計回り方向に回転させると、該回転円筒壁７近傍の液体が同伴されて前記矢印ｒ２方向に移動する。これにより、前記液体充填空間１０内の液体には、図２に二点鎖線で概略を示すように、前記固定円筒壁２側から回転円筒壁７側、すなわち、内周側から外周側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配ｇ２を有する平面視反時計回り方向（前記矢印ｒ２方向）の流れ場が、周方向の全域に亘り形成される。

したがって、本発明の固液分離装置１では、前記回転容器６の回転円筒壁７を前記矢印ｒ１方向と矢印ｒ２方向のいずれの方向に回転させた場合であっても、前記液体充填空間１０内に貯留されている液体には、内周側から外周側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配ｇ１又はｇ２を有する周方向の流れ場が形成される。このため、前記液体充填空間１０では、前記回転円筒壁７を前記矢印ｒ１方向と矢印ｒ２方向のいずれの方向に回転させる場合であっても、液体中に分散されているすべての粒子４に対し、前記剪断速度勾配ｇ１又はｇ２を有する周方向の液体の流れ場の中で、図２に矢印ｆで示すように、該液体充填空間１０の内周側から外周側に向く方向のサフマン揚力が作用するようにしてある。よって、前記液体充填空間１０内に貯留された液体中に含まれている粒子４は、前記サフマン揚力の作用により、該液体充填空間１０内で外周方向に濃縮される。

前記液体充填空間１０の軸心方向の一端部となる下端部には、図１に示すように、前記固定円筒壁２の内側を通して配管した原液供給管１２の下流側端部の原液入口１２ａが、該固定円筒壁２を通して開口させてある。該原液供給管１２の上流側端部は、粒子４が分散媒となる液体に分散された状態の原液３を供給するための図示しない原液供給部に接続されている。これにより、前記液体充填空間１０では、前記図示しない原液供給部より前記原液供給管１２を通して導かれる原液３が、前記原液入口１２ａから連続的に供給されるようにしてある。

前記液体充填空間１０の軸心方向他端側となる上端側には、前記固定円筒壁２よりも大径で且つ前記回転円筒壁７よりも小径の円筒形状の流路仕切壁１３が、同心状に配置されている。前記流路仕切壁１３は、その上端を、前記回転円筒壁７の上端とほぼ同じ高さ位置で、且つ前記固定円筒壁２の上端と揃う高さ位置に配置させる。更に、前記流路仕切壁１３の上端部は、閉塞板１４により気密に閉塞させる。前記閉塞板１４の下面には、前記固定円筒壁２の上端部が取り付けてある。

これにより、前記液体充填空間１０の上端部は、前記流路仕切壁１３によって内周寄り（固定円筒壁２寄り）と外周寄り（回転円筒壁７寄り）に仕切られる。このうち、前記流路仕切壁１３と回転円筒壁７の上端部との間となる液体充填空間１０の上端部の外周寄り部分は、前記回転容器６の外部に連通する粒子濃縮液出口１５となっている。よって、前記したように液体充填空間１０内で前記サフマン揚力の作用により外周方向に濃縮される粒子４は、一部の液体と一緒の粒子濃縮液１６として、前記粒子濃縮液出口１５より取り出される。

なお、前記回転容器６の回転駆動時は、前記したように液体充填空間１０内で周方向の流れ場を生じる液体に遠心力が作用するため、該液体充填空間１０内の液体の液面には、内周側よりも外周側が高くなる傾きが生じる。この際、該液体は、前記回転円筒壁７の上端を越える分はオーバーフローするため、液面の外周端は、前記回転円筒壁７の上端に一致した高さ位置となるが、内周側はそれよりも低くなる。この点に鑑みて、流路仕切壁１３の下端の位置は、前記回転容器６の回転駆動時に遠心力の影響で液体充填空間１０内の液体に液面勾配が生じた状態のときにも、該流路仕切壁１３の下端部を該液面下に確実に没入させることができるように設定してあるものとする。なお、図１では図示する便宜上、前記液体充填空間１０内の液面は水平な状態で示してある。

前記閉塞板１４には、前記原液供給管１２が上下方向に通して取り付けてある。更に、前記閉塞板１４には、前記固定円筒壁２の内側より清澄液５を抜き出して回収するための清澄液回収管１７の上流側端部が、上下方向に通して取り付けてある。前記閉塞板１４における前記原液供給管１２と清澄液回収管１７の取付け部は、気密を保持させてある。

前記清澄液回収管１７は、前記固定円筒壁２の内側の圧力が、外側の前記液体充填空間１０の圧力よりも低くなるように該固定円筒壁２の内外に差圧を発生させるための差圧発生手段としてのポンプ１８を備えている。

前記ポンプ１８は、その運転で、前記固定円筒壁２の内側の液体を該清澄液回収管１７へ吸引することにより、前記固定円筒壁２の内外に前記差圧を発生させる。この差圧に基づいて、前記液体充填空間１０内で内周寄り（固定円筒壁２寄り）に位置している液体を、前記固定円筒壁２の周壁の多孔質濾材を通して内側へ取り出すようにしてある。この際、前述したように、前記液体充填空間１０内では、原液３に含まれている粒子４は前記サフマン揚力の作用によって外周方向に濃縮されるため、該液体充填空間１０の内周寄りから前記固定円筒壁２の内側へ取り出される液体は、前記粒子４の濃度が相対的に低減している。更に、該液体は、前記固定円筒壁２の多孔質濾材を通過する際に濾過処理を受けることにより、前記粒子４の濃度がより低減された清澄液５となる。

前記固定円筒壁２の内側に取り出された清澄液５は、その後、前記清澄液回収管１７へ吸引される。

したがって、前記ポンプ１８の運転による前記清澄液回収管１７からの液体吸引量は、前記原液供給管１２を通して前記液体充填空間１０の下端部に連続供給する原液３の供給量に比して小さくなるように設定する。これにより、前記液体充填空間１０より固定円筒壁２の多孔質濾材を通して前記固定円筒壁２の内側へ取り出されない余剰分の液体は、前記粒子濃縮液１６として、前記粒子濃縮液出口１５より、回転円筒壁７の上端の外周側へオーバーフローされるようにしてある。

前記流路仕切壁１３及び固定円筒壁２が取り付けられている閉塞板１４は、後述する外部固定容器１９に図示しない支持材を介して支持させるか、あるいは、図示しない支持構造に支持させることで、位置が固定されている。これにより、前記固定円筒壁２と前記流路仕切壁１３と閉塞板１４は、前記回転容器６の回転に干渉する虞のない状態で、該回転容器６に対する相対位置を保持できる構成とされている。

前記回転容器６の外側には、該回転容器６の下方と外周を覆う外部固定容器１９が設けてある。なお、前記回転円筒壁７の上端よりオーバーフローする粒子濃縮液１６は、前記回転容器６の回転に伴う遠心力の作用により外周側へ飛ばされる可能性がある。よって、前記外部固定容器１９は、その上端の高さ位置が、前記回転容器６の回転円筒壁７の上端の高さ位置以上となるように設定してある。これにより、前記粒子濃縮液出口１５より回転円筒壁７の上端の外周側へオーバーフローする粒子濃縮液１６は、前記外部固定容器１９の内側に受けられるようにしてある。

前記外部固定容器１９の底部は、中央に前記駆動軸９を貫通させて配置させるための開口部２０が設けてあり、且つ該開口部２０の周縁は、該外部固定容器１９の内底面より或る寸法立ち上げた形状として、前記粒子濃縮液１６を内底部に溜める構造としてある。更に、該外部固定容器１９には、底部の或る個所に、前記粒子濃縮液１６を回収するための粒子濃縮液回収口２１が設けてある。なお、前記外部固定容器１９の内底面には、全体に亘り前記粒子濃縮液回収口２１に向けて下方傾斜する傾斜面を設けてもよい。これにより、前記したように外部固定容器１９の内側に受けられた粒子濃縮液１６は、該外部固定容器１９の内底部に集められた後、前記粒子濃縮液回収口２１より回収可能となる。

更に、本発明の固液分離装置１は、前記清澄液５を生成させるための濾過処理を行う前記固定円筒壁２の多孔質濾材におけるファウリングの状況を検出するファウリング検出手段として、たとえば、前記多孔質濾材の液体通過方向上流側と下流側の差圧を計測する差圧計２２を備える。該差圧計２２は、前記閉塞板１４の上側に配置してあり、前記多孔質濾材の液体通過方向上流側となる液体充填空間１０と、液体通過方向下流側となる前記固定円筒壁２の内側の空間に、それぞれ管路を介して連通接続してある。

本発明の固液分離装置１は、更に、前記ファウリング検出手段としての差圧計２２より入力される前記差圧の計測結果を基に、前記回転容器６の回転駆動装置１１の反転運転を制御する制御装置２３を備えた構成としてある。

次に、以上の構成を有する本発明の固液分離装置１を用いて行う固液分離処理の内容を説明すると共に、前記制御装置２３の機能について説明する。

本発明の固液分離装置１を使用して固液分離処理を行う場合は、予め、回転容器６の内部、すなわち、液体充填空間１０及び固定円筒壁２の内側に、液体、たとえば、前記原液３において粒子４の分散媒となっている液体を、回転円筒壁７の上端と一致するレベルまで貯留させておく。

この状態で、前記回転駆動装置１１により、前記回転容器６の周方向の一方向、たとえば、図２における矢印ｒ１方向への回転駆動を開始させる。これにより、前記液体充填空間１０内の液体には、前記した内外周方向に剪断速度勾配ｇ１を有する流れ場が、周方向の全域に亘り形成される。

その後、前記液体充填空間１０には、原液供給管１２を通して導かれる原液３を、原液入口１２ａから該液体充填空間１０の下端部へ、連続的に供給させる。更に、清澄液回収管１７では、ポンプ１８の運転開始により、固定円筒壁２の内側の液体の連続的な吸引を開始する。

これにより、前記液体充填空間１０内では、下端部に供給された前記原液３が、該液体充填空間１０内を、下端側（軸心方向一端側）から上端側（軸心方向他端側）へ、前記内外周方向に剪断速度勾配ｇ１を有する周方向の流れ場が生じた状態で順次移動する。この際、該原液３に含まれている粒子４は、粒径が小さくても、又、たとえ、分散媒となっている液体との密度差がないか又は密度差が小さい場合であっても、前記剪断速度勾配ｇ１を有する流れ場内で該粒子４に作用する流体力である外周方向（矢印ｆ方向）に向いたサフマン揚力により、前記回転円筒壁７に近接する外周寄りに次第に濃縮される。

前記液体充填空間１０内で外周寄りに濃縮された粒子４は、液体の一部と一緒に粒子濃縮液１６となった状態で、前記液体充填空間１０の上端外周部に設けられている粒子濃縮液出口１５をオーバーフローして、外部固定容器１９の内側に受けられる。しかる後、該粒子濃縮液１６は、外部固定容器１９内で集められ、粒子濃縮液回収口２１より回収される。

一方、前記液体充填空間１０内では、前記粒子濃縮液１６に粒子４が濃縮されることに伴って相対的に該粒子４についての清澄化が図られた液体が、該液体充填空間１０の内周部の固定円筒壁２寄りに位置する。更に、前記液体充填空間１０にて固定円筒壁２寄りに位置している液体は、前記ポンプ１８の運転で前記固定円筒壁２の内外に発生する差圧により、該固定円筒壁２の多孔質濾材を通して該固定円筒壁２の内側に連続的に取り出される際、該多孔質濾材による濾過処理を受けて、前記粒子４が更に低減された清澄液５となる。

前記固定円筒壁２の内側に取り出された清澄液５は、その後、前記清澄液回収管１７を通して回収される。

以上により、原液３に含まれていた粒子４を濃縮した粒子濃縮液１６と、該粒子４についての清澄化が図られた清澄液５とを分離して回収する固液分離処理が行われる。

ところで、前記本発明の固液分離装置１では、前記固液分離処理を継続して行うと、前記清澄液５生成のための濾過処理を連続して行う固定円筒壁２の多孔質濾材に、ファウリングが生じる。

この際、前記固定円筒壁２では、前記多孔質濾材のファウリングが進行するにしたがって、前記固定円筒壁２の外側から内側へ液体を通過させるときの抵抗が次第に増加する。このため、前記多孔質濾材におけるファウリングの状況、すなわち、濾過性能の低下の状況は、前記差圧計２２により計測される該固定円筒壁２の外側（液体通過方向上流側）と内側（液体通過方向下流側）との差圧を指標として判断することができる。

特に、一般に製品として販売されている濾過膜では、該濾過膜のファウリングの進行による濾過性能の低下に関して、性能回復が必要となる場合の該濾過膜の上流側と下流側の差圧について、メーカーが該濾過膜の特性の一つとして公表していることが多い。

そこで、前記制御装置２３には、前記固定円筒壁２で用いられている多孔質濾材に関して、ファウリングの進行に伴う性能低下によって性能回復が必要とされる状態となるときの判断基準となる前記差圧について、或る設定値（閾値）を予め設定可能とする。

更に、前記制御装置２３は、前記判断基準となる或る設定値が予め設定された状態で、前記差圧計２２より前記差圧の計測結果が入力されると、該差圧の計測結果と前記或る設定値とを比較する処理を行う。この比較の結果、前記差圧の計測結果が、前記或る設定値未満である場合は、前記制御装置２３は、前記回転駆動装置１１に対し、前記回転容器６をその時点での回転方向を保持した状態で回転を継続させる指令を与える。

一方、前記固定円筒壁２の多孔質濾材におけるファウリングが進行して、性能回復が必要とされる状態になると、前記制御装置２３では、前記差圧計２２より入力される前記差圧の計測結果が増加して、前記或る設定値に達するようになる。この場合、前記制御装置２３は、前記回転駆動装置１１に対し、前記回転容器６の回転方向を反転させる指令を与える。更に、前記制御装置２３は、前記回転駆動装置１１に対し、回転方向を反転させた後の回転容器６の回転数を、従前（反転以前）と同じ回転数まで上昇させる指令を与える。

これにより、前記回転容器６は、前記回転駆動装置１１によって回転駆動されるときの回転方向が、図２に矢印ｒ１で示す方向から矢印ｒ２で示される方向に反転されると共に、該反転後の回転方向に従前と同じ回転数で回転駆動される。このため、前記液体充填空間１０内の原液３は、たとえば、図２に示す如き剪断速度勾配ｇ１を有する原液３（液体）の矢印ｒ１方向の流れ場について、回転方向が反転されて、前記剪断速度勾配ｇ１と同じ大きさで周方向の逆方向に向く図２に二点鎖線で示す如き剪断速度勾配ｇ２を有する原液３（液体）の矢印ｒ２方向の流れ場が生じる。

したがって、前記液体充填空間１０では、原液３に含まれている粒子４に対して、図２に矢印ｆで示す方向（内周から外周に向かう方向）のサフマン揚力を、常に作用させたまま、該液体充填空間１０内における前記原液３の周方向の流れ場の方向を反転させることができる。

これにより、前記液体充填空間１０内では、前記原液３に含まれる粒子４の外周寄りへの濃縮を行いながら、原液３の周方向の流れ場の方向を反転させることにより、前記固定円筒壁２の多孔質濾材における該液体充填空間１０に露出されている表面について、ファウリングが除去（洗浄）される。

このようにして、前記ファウリングの洗浄が行われた固定円筒壁２の多孔質濾材では、濾過性能の性能回復が図られる。又、これに伴い、前記差圧計２２では、前記固定円筒壁２の内外の差圧の計測結果の値が低下する。

なお、固定円筒壁２の多孔質濾材についてのファウリングの除去処理に伴って生じる粒子状物質は、前記サフマン揚力の作用により前記液体充填空間１０内で外周寄りに移動させて、前記原液３中の粒子４の粒子濃縮液１６と一緒に回収することができる。

その後、前記制御装置２３は、前記回転容器６の回転方向が反転させられた条件の下で、前記したと同様に、前記差圧計２２より入力される差圧の計測結果と、前記或る設定値とを比較して、差圧の計測結果が前記或る設定値未満である間は、前記回転容器６の回転方向を保持させ、一方、前記差圧の計測結果が、前記或る設定値に達すると、前記回転容器６の回転方向を反転させてから回転数を復帰させる指令を、前記回転駆動装置１１に対して与える。

このように、本発明の固液分離装置１によれば、粒径が小さい粒子４、あるいは、分散媒の液体との固液密度差がないか又は小さい粒子４であっても、該粒子４を含む原液３を連続的に固液分離処理して、濃縮された粒子４を含む粒子濃縮液１６と、該粒子４についての清澄化が図られた清澄液５とを分離して回収することができる。

したがって、本発明の固液分離装置１は、培養された細胞や微生物等、及び、水中に含まれている砂、粘土、コロイド、藻類やその他の微生物と、その死骸や代謝物のような固体粒子を培養液や水などの液体から分離させるための固液分離処理を、実施することができる。

更に、本発明の固液分離装置１では、固定円筒壁２の多孔質濾材のファウリングが進行すると、液体充填空間１０にて発生させる剪断速度勾配ｇ１，ｇ２を有する周方向の流れ場の方向を反転させることで、ファウリングの除去（洗浄）を行うことができるため、前記固液分離処理を、長期に亘り安定して実施することができる。

更に、前記液体充填空間１０では、回転円筒壁７を、固定円筒壁２に対して周方向に連続的に相対移動させて、該液体充填空間１０内の原液３に剪断速度勾配を有する流れ場を強制的に形成させるため、原液３中の粒子４に対して作用させるサフマン揚力を、確実に且つ効率よく発生させることができる。よって、前記液体充填空間１０は、原液３の供給側となる軸心方向一端側から、粒子濃縮液１６の出口側となる軸心方向他端側までの距離を短く設定することができる。

更に、図１及び図２に示した本発明の固液分離装置１では、原液３の粒子４にサフマン揚力を作用させるために前記液体充填空間１０で発生させる剪断速度勾配を有する流れ場の方向と、前記原液入口１２ａ側と粒子濃縮液１６の粒子濃縮液出口１５側とを結ぶ原液３の供給排出による流れ方向とが、それぞれ周方向と軸心方向になっていて、直角に異なっている。このため、前記液体充填空間１０内では、該液体充填空間１０内での原液３の供給排出による流れ方向（軸心方向）の移動速度に依存することなく、前記剪断速度勾配を有する流れ場における剪断速度勾配の大きさを設定することが可能になる。よって、前記本発明の固液分離装置１は、前記回転円筒壁７を有する回転容器６の回転速度や、該回転容器６（回転円筒壁７）の高さ寸法（軸心方向寸法）、原液３の処理量等を、それぞれ独立して変更できるため、装置の設計の際、これらの項目の設定の自由度を大きいものとすることができる。

更に、本発明の固液分離装置１は、培養された細胞や微生物等の培養液からの分離回収を行う際、使用後の器具類の再滅菌の手間を省くためには、該本発明の固液分離装置１における前記回転駆動装置１１及び制御装置２３以外の各構成部材を、樹脂等の使い捨て可能な材料製としてもよい。

次に、図３は本発明の実施の他の形態として、図１及び図２の実施の形態の固液分離装置１の応用例を示すものである。

すなわち、本実施の形態の固液分離装置は、図３に符号１Ａで示すもので、図１及び図２に示した固液分離装置１と同様の構成において、液体充填空間１０の下端側に原液３の原液入口１２ａを設け、上端側に粒子濃縮液１６の粒子濃縮液出口１５を設けた構成に代えて、液体充填空間１０の軸心方向一端部（上端側）を、原液３の入口側とし、軸心方向他端側（下端側）を、粒子濃縮液１６の出口側とした構成としたものである。

本実施の形態にて、回転円筒壁７を備えた回転容器６と、その回転駆動装置１１は、図１及び図２に示したものと同様の構成としてある。

前記回転円筒壁７の内側には、固定円筒壁２が同心状に配置してある。該固定円筒壁２は、図１及び図２の実施の形態における固定円筒壁２と同様に、多孔質濾材を備えた構成としてある。更に、該固定円筒壁２の上端部は、閉塞板１４ａにより気密に閉塞させてある。

前記固定円筒壁２の外周面と、前記回転円筒壁７の内周面との間には、図１及び図２に示したと同様に、上下方向に延びる環状の液体充填空間１０が形成してある。

前記液体充填空間１０の軸心方向の一端部（上端部）には、前記固定円筒壁２と回転円筒壁７との間の開口部である原液入口２４を設け、該原液入口２４の上方に、図１及び図２に示したと同様の原液供給管１２の下流側端部を配置させてある。これにより、前記液体充填空間１０では、前記原液供給管１２を通して導かれる原液３が、前記原液入口２４より連続的に供給される。

前記液体充填空間１０の軸心方向の他端部（下端部）には、その外周寄り位置に、前記固定円筒壁２の内側を通して配管した粒子濃縮液回収管２５の上流側端部が、前記固定円筒壁２を通して開口させてある。本実施の形態の固液分離装置１Ａでは、前記粒子濃縮液回収管２５の上流側端部の開口を、前記液体充填空間１０の粒子濃縮液出口２６とする。前記粒子濃縮液回収管２５は、図示しないポンプに接続されているものとし、該ポンプの運転で、前記液体充填空間１０内で図１及び図２の実施の形態と同様にサフマン揚力の作用により外周方向に濃縮される粒子４を、一部の液体と一緒の粒子濃縮液１６として前記粒子濃縮液出口２６より吸引して回収する構成とされている。

なお、前記回転容器６の回転駆動時は、前記液体充填空間１０内で図１及び図２の実施の形態と同様に、周方向の流れ場を生じる液体に遠心力が作用するため、該液体充填空間１０内の液体の液面には、内周側よりも外周側が高くなる傾きが生じる。この際、該液体の傾いた液面が、前記回転円筒壁７の上端を越えてオーバーフローが生じないように、該回転円筒壁７の上端の高さ位置が設定してあるものとする。なお、図３では図示する便宜上、前記液体充填空間１０内の液面は水平な状態で示してある。

前記閉塞板１４ａには、前記粒子濃縮液回収管２５が上下方向に貫通させて取り付けてある。更に、該閉塞板１４ａには、図１及び図２に示したと同様のポンプ１８を備えた清澄液回収管１７の上流側端部が、上下方向に貫通させて取り付けてある。前記閉塞板１４ａに対する前記粒子濃縮液回収管２５と清澄液回収管１７の取付け部は、気密を保持させてある。

なお、本実施の形態の固液分離装置１Ａは、前記したように、粒子濃縮液１６を、液体充填空間１０の下端部より粒子濃縮液回収管２５へ直接抜き出して回収するようにしてあることから、外部固定容器１９は省略した構成としてある。

その他の構成は図１及び図２に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成としてある本実施の形態の固液分離装置１Ａによれば、回転容器６の回転駆動により、回転円筒壁７と固定円筒壁２との間に形成される液体充填空間１０に、内周側から外周側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する原液３の周方向の流れ場を形成できる。

更に、前記回転容器６の回転駆動装置１１を制御して、前記回転容器６の回転方向を反転させることにより、前記液体充填空間１０内に形成させる原液３の流れ場の周方向の向きを、反転させることができる。

したがって、本実施の形態の固液分離装置１Ａによっても、図１及び図２に示した実施の形態の場合と同様に固液分離処理を行うことができる。よって、本実施の形態の固液分離装置１Ａは、図１及び図２に示した実施の形態と同様の効果を得ることができる。

次いで、図４は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図３の実施の形態の固液分離装置１Ａの応用例として、固定円筒壁２の内外に差圧を発生させるための差圧発生手段の別の例を示すものである。

すなわち、本実施の形態の固液分離装置は、図４に符号１Ｂで示すもので、図３に示した固液分離装置１Ａと同様の構成において、液体充填空間１０の上端部に、外部に開放された原液入口２４を設ける構成に代えて、液体充填空間１０の上端側を閉塞させると共に、該液体充填空間１０の上端側に、原液供給管１２を接続し、該原液供給管１２に、差圧発生手段として原液３を圧送する形式のポンプ２７を備える構成としたものである。

前記液体充填空間１０の上端側は、固定円筒壁２の上端部に気密に取り付けてある閉塞板１４ａを、回転円筒壁７の内径よりもやや小さい径を有する円板とし、該閉塞板１４ａの外周端と、前記回転円筒壁７の内周面との間に、ラビリンス構造等の図示しない非接触シールを設けることで閉塞させる。更に、本実施の形態の固液分離装置１Ｂは、前記固定円筒壁２の下端と、回転容器６の端壁８の内面との間に、前記と同様の図示しない非接触シールを設けるようにしてもよい。

前記液体充填空間１０の上端側を覆う前記閉塞板１４ａの外周寄り部分には、原液供給管１２の下流側端部が、前記液体充填空間１０に開口するよう上下方向に貫通させて取り付けてある。前記閉塞板１４ａにおける前記原液供給管１２の取付け部は、気密を保持させてある。本実施の形態の固液分離装置１Ｂでは、前記原液供給管１２の下流側端部の前記液体充填空間１０への開口を、原液入口２８とする。

前記ポンプ２７は、その運転で、原液供給管１２を通して圧送する原液３を、前記原液入口２８より前記液体充填空間１０へ供給する。これにより、前記液体充填空間１０の圧力が高くなるため、前記固定円筒壁２の内外には、前記固定円筒壁２の内側の圧力が、相対的に固定円筒壁２外側の前記液体充填空間１０の圧力よりも低くなる差圧が発生する。

更に、本実施の形態の固液分離装置１Ｂでは、清澄液回収管１７と粒子濃縮液回収管２５に、圧力調整弁２９と３０をそれぞれ設けた構成として、前記固定円筒壁２の周壁の多孔質濾材を通して内側へ取り出される清澄液５の圧力と、前記液体充填空間１０の下端部に設けてある粒子濃縮液出口２６より取り出される粒子濃縮液１６の圧力の比を調整することで、前記固定円筒壁２の内外の差圧を調整すると共に、前記清澄液５と粒子濃縮液１６の量を調整できるようにする。

その他の構成は図３に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成としてある本実施の形態の固液分離装置１Ｂによれば、図３に示した実施の形態と同様に使用して、同様の効果を得ることができる。

なお、前記各実施の形態では、ファウリング検出手段として、差圧計２２を採用した構成を示したが、図１及び図２の実施の形態、図３の実施の形態では、たとえば、図１に一点鎖線で示すように、清澄液回収管１７に設けてあるポンプ１８の負荷の信号を制御装置２３に入力させるようにしてもよい。この場合は、前記制御装置２３にて、固定円筒壁２の多孔質濾材のファウリングの進行に伴って前記固定円筒壁２の内側から清澄液５を吸引する前記ポンプ１８の負荷が、予め設定した或る設定値まで高まると、回転容器６の回転駆動装置１１に回転方向を反転させる指令を与えるようにすればよい。

又、固定円筒壁２の多孔質濾材のファウリングの進行に伴って、清澄液５と、粒子濃縮液１６としてそれぞれ回収される液体の量が変動するという点に鑑みて、前記清澄液回収管１７を通して回収される清澄液５の流量（回収量）や、粒子濃縮液１６の回収量を、図示しない流量計で計測し、その結果を前記制御装置２３に入力させるようにしてもよい。この場合は、前記制御装置２３に、予め、清澄液５の回収量の減少についての或る設定値や、粒子濃縮液１６の回収量の増加についての別の或る設定値を設定しておき、該制御装置２３にて、固定円筒壁２の多孔質濾材のファウリングにより前記固定円筒壁２の内側から回収される清澄液５の量が前記或る設定値まで減少したり、前記粒子濃縮液１６の量が前記別の或る設定値まで増加したりしたときに、前記回転容器６の回転駆動装置１１に回転方向を反転させる指令を与えるようにすればよい。

更に、図１及び図２の実施の形態、図３の実施の形態では、液体充填空間１０が外部に開放されている点に鑑みて、差圧計２２として、固定円筒壁２の内側の圧力と、大気圧との差圧を計測する圧力計を用いるようにしてもよい。

又、本発明は前記実施の形態のみに限定されるものではなく、各実施の形態では、液体充填空間１０の断面積や軸心方向寸法は、所望する原液３の処理量や固液分離効率に応じて適宜変更してよい。

図１及び図２の実施の形態では、原液供給管１２の原液入口１２ａを液体充填空間１０の周方向の一個所に設ける構成を示したが、周方向の複数個所に原液入口１２ａを配置した構成としてもよい。更には、原液供給管１２の下流側端部に液体充填空間１０の下端部で周方向に連続するリング状のヘッダ管を設けて、該ヘッダ管に周方向に連続する原液入口１２ａを設けるようにしてもよい。

図３の実施の形態、図４の実施の形態では、液体充填空間１０の粒子濃縮液出口２６を、該液体充填空間１０の周方向の一個所に設ける構成を示したが、周方向の複数個所に粒子濃縮液出口２６を配置するように、粒子濃縮液回収管２５の上流側端部を分岐させる構成としてもよい。更には、粒子濃縮液回収管２５の上流側端部に液体充填空間１０の下端部の外周寄り位置で周方向に連続するリング状のヘッダ管を接続して、該ヘッダ管に周方向に連続する粒子濃縮液出口２６を設けるようにしてもよい。

図４の実施の形態では、原液供給管１２の原液入口２８を閉塞板１４ａの周方向の一個所に設ける構成を示したが、周方向の複数個所に原液入口２８を配置した構成としてもよい。

本発明の固液分離装置１，１Ａ，１Ｂで固液分離処理の対象とする原液３は、該原液３において粒子４の分散媒となっている液体の密度に比して、密度が大きくなる側へ大きな密度差を有する粒子４を含んでいてもよい。この場合、前記液体に対して大きな密度差を有する粒子４は、環状の液体充填空間１０内で周方向に形成される流れ場内で、サフマン揚力に加えて、遠心力を利用して外周側に濃縮させて回収することができる。

本発明の固液分離装置１，１Ａ，１Ｂは、固液分離処理が必要な粒子４を含んだ液体であれば、任意の粒子４を含んだ原液３や、水以外の分散媒に粒子４が分散した原液３の固液分離処理に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１，１Ａ，１Ｂ 固液分離装置、２ 固定円筒壁、３ 原液、４ 粒子、６ 回転容器、７ 回転円筒壁、８ 端壁、９ 駆動軸、１０ 液体充填空間、１１ 回転駆動装置、１２ 原液供給管、１２ａ 原液入口、１５ 粒子濃縮液出口、１７ 清澄液回収管、１８ ポンプ（差圧発生手段）、２２ 差圧計（ファウリング検出手段）、２３ 制御装置、２４ 原液入口、２５ 粒子濃縮液回収管、２６ 粒子濃縮液出口、２７ ポンプ（差圧発生手段）、２８ 原液入口

Claims (2)

1. 上下方向に延び且つ周壁に多孔質濾材を備える固定円筒壁と、
   前記固定円筒壁の外周に同心状に配置した回転円筒壁、及び、該回転円筒壁の下端部を閉塞させる端壁を備えた回転容器と、
   前記固定円筒壁と、前記回転円筒壁の間に形成された環状の液体充填空間と、
   前記液体充填空間の軸心方向の一端側に設けた、粒径が小さい粒子であって、液体との固液密度差がないか又は小さい粒子を含む原液を供給する原液入口と、
   前記液体充填空間の軸心方向の他端側の外周寄りに設けた粒子濃縮液出口と、
   前記固定円筒壁の内側に上流側端部を接続した清澄液回収管と、
   前記固定円筒壁の内外に、内側の圧力が外側の液体充填空間の圧力よりも低くなる差圧を発生させるための差圧発生手段と、
   前記回転容器を回転させる回転駆動装置とを備えて、
   前記回転容器の回転円筒壁を回転させることにより、前記液体充填空間内の原液に、内周側より外周側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する周方向の流れ場を形成し、原液中に含まれる前記粒子が、前記流れ場の中で作用するサフマン揚力により外周寄りに濃縮されて前記粒子濃縮液出口より回収され、前記原液より前記粒子の清澄化が図られる清澄液が、前記固定円筒壁の内側に回収される構成とし、
   更に、前記固定円筒壁の多孔質濾材におけるファウリングの状況を検出するためのファウリング検出手段と、
   前記ファウリング検出手段からの入力に基づいて、前記回転駆動装置による前記回転容器の反転を制御する制御装置を備えた構成を有すること
   を特徴とする固液分離装置。
2. 前記固定円筒壁の多孔質濾材におけるファウリングを検出するための前記ファウリング検出手段は、前記固定円筒壁の外側と内側の差圧を計測する差圧計とし、
   前記制御装置は、前記差圧計より入力される差圧の計測結果が、予め設定してある或る設定値まで増加すると、前記回転駆動装置に対し前記回転容器の回転方向を反転させる指令を与えるものであること
   を特徴とする請求項１記載の固液分離装置。

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