食品工業で利用するメンブレン膜モジュール選びのポイント
一般の水処理とは異なる食品工業での膜利用
食品、乳製品、飲料などの食品工業において、膜(メンブレン)は必要不可欠な存在です。例えば、調理や希釈に利用される大量の仕込水や、調理器具の洗浄水には、膜で精製・ろ過された水が大量に利用されています。さらに膜を利用することにより、非加熱濃縮などに代表される製造工程の効率化をはじめ、これまで廃棄してきた処分液から原材料や副生成物を回収したり、水の再利用や排水削減などが可能になります。
このように、純水製造などの一般の水処理とは異なり、食品工業における膜の利用法は多岐にわたり運転条件もさまざまです。このため、食品工業に利用される膜には独自の仕様や性能が要求されます。
そこで今回、食品工業で利用される膜モジュールを選定する際に重要となるポイントについて考えてみようと思います。
膜モジュールのサニタリー性
食品工業において、サニタリー性は非常に重要な要素です。このため、用途によっては装置内の膜モジュールに液溜りが発生しないことは大変重要な要素となります。しかし、一般的なブラインシールを利用した膜モジュールの場合、ハウジングの内壁と膜モジュール外側にある無駄な隙間に濃縮水の滞留りが発生します。この液溜りは微生物付着や増殖の原因となるだけでなく、殺菌・CIP(現場洗浄)の効率性などにも影響を及ぼすことがあります。
このため、サニタリー性が要求される用途で利用される膜モジュールには液溜りが発生しない性能が要求されます。フランス SUEZ社(旧 米国GEウォーター・テクノロジーズ)によって開発・特許取得した高い寸法精度の頑丈なネット状プラスチックで出来ているDURASANアウターラップを利用したエレメントは、ハウジング内壁と膜モジュール外側の流れをコントロールすると同時に、ブラインシールを使わずにハウジング内壁に密着するように設計されています。このため食品などのサニタリー性が要求される用途において、ハウジングの内壁と膜モジュール外側に濃縮水の滞留が発生することがありません。このブラインシールを使用しないデザインによるサニタリー性の高い膜モジュールは、エレメント外側の流れをコントロールすることにより、微生物付着や増殖の原因となる無駄な隙間を排除します。また、殺菌・洗浄(CIP)効果の向上や、すすぎ時間の短縮も可能です。
膜と膜モジュールの耐ファウリング性
水のろ過・精製において、膜ファウリング（汚れ）は原水中の不純物によって発生しますが、食品工業の場合、プロセス流体自体が膜をファウリングさせる場合があります。一般的な水処理用膜モジュールの場合(特にRO膜やNF膜の場合)、非溶解性物質(懸濁物質）を膜で処理することを考慮していない場合がほとんどなので、プロセス流体を処理した場合には深刻な膜ファウリングや膜モジュールの破損が発生する可能性があります。このため、食品・乳業・飲料などのプロセス流体を扱う膜と膜モジュールの両方に、優れた耐ファウリング性能が要求されます。
耐ファウリング性能に優れたSUEZのプロセス用の膜（RO膜、NF膜、UF膜、MF膜)は、さまざまな食品製造工程において数多くの優れた性能を実証しています。 特にプロセス用のRO膜とNF膜は合成複合膜でありながら、固有の膜表面の粗さがなく、膜表面は非常に滑らかです。この非常に平滑な膜表面を持つ独自３層構造膜は、微生物や微粒子の膜表面への付着を低減するとともに、優れた安定性と薬品適合性をもっています。
さらに、SUEZ（旧 GEウォーター・テクノロジーズ）では用途に応じたさまざまな構造のプロセス用膜エレメントを取り揃えています。この膜モジュールはプロセス流体を処理するのに最適な構造になっており、優れた耐ファウリング性を実現するとともに、安定性と優れた洗浄効率性を持ち合わせています。
膜モジュールの耐熱性について
食品工業において、高温の流体を扱うことは特別なことではありません。 また、装置・システム系内の殺菌のために熱水を利用することも特別なことではありません。しかし、一般的な逆浸透膜(RO)やナノフィルトレーション膜(NF)などの最高運転温度は45℃～50℃です。この上限値は一般的な脱塩などの純水製造においては問題ありませんが、食品・乳製品・飲料などのプロセス溶液を高温にて連続処理したい場合や、薬品を使用せずにシステム全体を熱水殺菌したい場合、この上限値は問題となります。
膜エレメントに耐熱性があれば、液体を高温で処理するメリットは多数あります。例えば、食品や製薬などの製造工程において、熱を持ったプロセス流体をそのまま処理することが可能になります。つまり、高温での膜処理は、プロセス流体を前処理工程で冷ましたり、処理後工程で加熱したりする必要がなく、エネルギー効率に優れており、初期投資費用と運転費用の削減が可能になります。また、常温では処理できないような粘性の高い溶液を、高温処理することによって分離精製することも可能です。また、液体温度が上昇するにつれ、膜装置の運転に必要な圧力が下降するため、省エネルギーと操作コストの削減も可能です。
さらに膜エレメントに耐熱性があれば、製品の品質に影響する化学薬品を利用しない熱水殺菌を行うことが可能です。定期的な熱水殺菌は、有害なバクテリア増殖から膜表面を効果的に保護します。また、薬品を利用しないためフラッシング時間の短縮が可能です。
優れた耐熱構造を採用したSUEZのDURATHERMエレメントは極限の運転条件において信頼できる性能を発揮します。例えば、DURATHERM HWSは、通常運転温度は50℃以下である一方、メーカー指定のプロトコルに従い、最高90℃の熱水殺菌を低圧にて行う事が可能です。また、DURATHERM EXCELは最高80℃のプロセス流体を連続的に膜処理することが可能です。 DURATHERMエレメントは合衆国政府食品薬品局(FDA)の米国連邦政府基準(CFR) Title Vol.21によって設定されたガイドラインに適合した高品質の材料を利用しており、外周ラップにはサニタリー運転を可能にするDURASAN保護スリーブ（前述）を採用しています。DURATHERMシリーズには幅広い膜エレメントサイズとさまざまなメンブレンのタイプ（RO膜、NF膜、UF膜、 MF膜）があります。
トスクではフランス SUEZ社(旧 米国GEウォーター・テクノロジーズ)の、食品工業用に最適な逆浸透膜 （RO）、ナノフィルトレーション膜（NF）、限外ろ過膜（UF）、精密濾過膜（MF）を取り扱っております。
これらの食品工業用膜にはサニタリー性を重視した膜エレメントをはじめ、高pH、低pH、高温、高粘度などの過酷なプロセス過程の条件下でも使用可能なメンブレンやエレメント形状のタイプもあります。これらの膜を利用することにより、食品・乳業・飲料の製造におけるさまざまなプロセス溶液の分離・精製・濃縮が可能になります。
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