濾過のメカニズムと濾過プロセスの最適化

濾過操作は最も古くから利用されてきた基礎的な分離操作の一つであるが、現在もなお技術イノベーションが積み重ねられ、利用分野の拡大と分離対象粒子の多様化、微細化が加速化する傾向にある。 　本セミナーでは、濾過の基礎をわかりやすく解説した後、濾過試験法、濾過試験データの収集法と解析法、濾過機、濾過脱水機、濾過助剤、凝集剤、濾材などの選定、高効率の濾過操作法の実践的なノウハウを紹介する。さらに、濾過技術の適用分野や最新動向についても概説する。特に、濾過試験の具体的な方法や評価のポイント、濾過機の選定方法については重点的に解説する。

1. 各種濾過操作の概要
   1. ケーク濾過と清澄濾過
      • ケーク濾過におけるルースの基礎濾過速度式
      • 清澄濾過における粒子捕捉と圧損増加
   2. ケークレス濾過
      • クロスフロー濾過
      • 円板型濾過
      • 回転円筒型濾過
      • 振動型ダイナミック濾過
   3. 膜濾過
      • サブミクロン粒子の精密濾過
      • ナノ粒子・高分子・タンパク質の限外濾過
   4. 電場や超音波を利用したケークレス濾過
2. 濾過試験と解析・評価のポイント
   1. ケーク濾過実験データの解析・評価法
      1. 定圧濾過実験データの解析・評価法
      2. ある任意の時刻以降に定圧濾過を行った場合の実験データの解析・評価法
      3. 定速濾過実験データの解析・評価法
      4. 変圧変速濾過実験データの解析・評価法
   2. 濾過ケーク構造とケーク圧縮性の評価法
      1. ケーク内固体圧縮圧力と液圧の分布
      2. 濾過比抵抗の部分値と平均値の関係
   3. ケーク濾過の試験法の種類
      1. 真空濾過と加圧濾過の試験法
      2. CST (毛管吸引時間) 試験法
         • 濾過速度の大小の簡易評価法
      3. 濾過面積急縮小型濾過試験法
         • 濾過速度の経時変化からケーク平均空隙率の算出
      4. ケークの内部状態の評価法
         • 圧縮透過試験法
         • ケーク内部の局所的特性値とケーク全体の特性値との関係
   4. 精密濾過における膜の目詰まりの測定・解析・評価法
      1. 直列濾過抵抗モデル
      2. 律速となる抵抗の評価法
         • 膜
         • 膜の目詰まり
         • ケークの各濾過抵抗の大小関係の把握
   5. 閉塞濾過のメカニズムの解析・評価法
      1. 閉塞濾過法則の種類
         • 完全閉塞法則
         • 中間閉塞法則
         • 標準閉塞法則
         • ケーク濾過法則
      2. 閉塞濾過実験データのプロット法
   6. 濾過性能に及ぼす溶液環境の影響
      1. pHと粒子の親・疎水性バランスの影響
         • 微粒子懸濁液の精密濾過とタンパク質溶液の限外濾過の比較
      2. 2成分系試料の濾過における溶液環境の影響
3. 濾過助剤や濾材の選定と効果的活用法
   1. 濾過助剤の種類と特徴
   2. プリコート濾過とボディフィード濾過
   3. 効果的な助剤濾過を行うための濾過助剤活用のポイント
   4. 濾過助剤の最適添加量の決定法
   5. 凝集剤の種類と特徴
      • 荷電中和による凝結と高分子鎖の架橋作用による凝集との違い
      • 無機凝集剤と高分子凝集剤の役割
      • フロック密度の重要性
   6. 効果的な濾過を行うための凝集剤活用のポイント
   7. 凝集剤の最適添加量の決定法
   8. 濾材選定のポイント
4. 濾過機の選定とその留意点
   1. 原液性状の評価法
      1. 懸濁粒子性状の評価法
         • 粒径
         • 空隙率
         • 粒子形状
         • 細粒含有率
         • ゼータ電位の影響
      2. 懸濁液性状の評価法
         • 粒子濃度
         • 濾液の粘度特性
         • 有機物濃度の影響
   2. 濾過試験法
      1. 真空濾過試験
      2. 加圧濾過試験
      3. 階段状圧力増加濾過試験
      4. 濾過実験法のノウハウ
         • 濾液温度の影響
         • 濾材選定
         • 希薄スラリーの濾過の要点
         • プロット法の選択
   3. 濾過機選定の手順
      1. 濾過機の分類とそれぞれの特色
      2. 圧搾脱水機の分類とそれぞれの特色
      3. 濾過機選定のための要点
      4. 懸濁液性状に基づく濾過機選定基準
      5. 脱水機選定のための要点と選定基準
5. 濾過操作・設計のポイント
   1. バッチ式濾過操作の最適設計法
   2. 連続式濾過操作の最適設計法
   3. 周期逆洗濾過操作の最適設計法
   4. 沈降を伴う濾過操作の評価法
   5. 円筒濾材による濾過操作の評価法
      • チューブラー
      • 中空糸膜
   6. 濾液が非ニュートン流体の濾過操作の評価法
6. 濾過技術の適用分野
   1. 浄水・廃水処理における濾過技術
   2. 食品、バイオ、医薬関連分野における濾過技術
7. 濾過技術の最近の動向と今後の展望
   1. 高圧縮性粒子の難濾過性スラリーの濾過
      • タンパク質などの生体高分子、微生物、ゲル粒子、エマルション粒子、剛体粒子の凝集フロックなどが対象
      • 粒子の大きな変形能に起因する高い圧縮性の発現
   2. ナノ粒子の難濾過性スラリーの濾過
      • ナノ粒子、シングルナノ粒子やタンパク質などの高分子が対象
      • 上向流濾過が効果的
   3. ハイブリッド濾過とアフィニティ濾過
      • 濾過に凝集・吸着を複合させたハイブリッド操作
      • アフィニティ濾過による光学異性体の分離
      • 精密濾過膜と吸着膜を重ねた複層膜の有用性
   4. 最近の濾過機
      • ロータリープレスフィルター
      • 差動回転式スクリュープレス
      • 加温乾燥式フィルタープレスなど
   5. 超高圧圧搾による高度脱水法
      • 凝集による高速脱水と超高圧圧搾による高度脱水の複合化
      • 下水汚泥の脱水で30wt%の含水率を達成、従来技術では60〜80wt%
   6. 新規定圧濾過試験法
      • たった一回の定圧濾過で種々の圧力における平均濾過比抵抗や平均空隙率を一挙に得られるシングル定圧濾過試験法の提案と実用化
8. スケールアップの考え方・指針とトラブルシューティング
   1. スケールアップの基本的な検討方法と手順
      1. スケールアップ時の問題点
      2. 標準ケーク形成時間 (SCFT) の指標を導入したスケールアップ法
         • SCFT値から回分式や連続式フィルタの面積を計算する簡単な式
         • SCFT値の簡単な測定法
         • ケーク圧縮性指数の簡単な測定法
         • スケールアップ係数の導入
   2. スケールアップ時に発生しやすいトラブル例
      1. メッキ液濾過における差圧上昇の問題とその対策
      2. スクリュープレスによる汚泥脱水における諸問題とその対策
      3. ビール濾過における重罪の種類と量の選定
      4. 広い粒度分布をもつスラリーの遠心分離
      5. 遠心分離におけるケークの目詰まり
      6. サブミクロン水酸化物スラリーの清澄濾過の留意点
      7. 廃棄物同然の複合的物性を示す排水処理スラッジの留意点
      8. 晶析後の濾過など固形分回収の問題とその対策
      9. ケーククラック発生によるトラブル
      10. 濾布の目詰まりの対策
      11. 高粘度の油の濾過性改善
      12. ケーク洗浄・乾燥・排出の問題点
      13. 長時間試験による沈殿効果の影響
      14. 小型濾過器で得た濾過データの問題点
          • 以上の他、多数の事例