膜ろ過利用の技術動向

膜ろ過技術の研究開発には多大なリソースが割り当てられています。 ただし、研究目標が業界のニーズの解決とどの程度密接に一致しているかは依然として不明です。 Sepideh Jankhah、Ph.D、P.Eng. この分野の歴史、進化、研究開発の傾向を調査します。

2001 年以来、毎年かなりの量のリソースが膜濾過技術の研究開発 (R&D) に割り当てられてきました。 ただし、研究目標が業界のニーズの解決とどの程度密接に一致しているかは依然として不明です。 この記事では、膜濾過技術の応用の歴史と進化を調査し、査読済みの文献に基づいてこの分野の研究開発動向を調査します。 興味深いことに、研究と業界のニーズは同じようなペースで収束しているようですが、主要な企業は応用分野によって異なります。

膜ろ過履歴

膜濾過技術は、水および廃水処理、食品および飲料プロセス、製薬および医療用途、化学処理、およびその他の産業用分離または精製用途など、さまざまな業界で広く利用されています。 膜分離の歴史は 1700 年代初頭に遡り、浸透という言葉が隔膜を通る水の浸透を表すのに初めて使用されました。

ろ過技術は浸透から電気透析、ガスろ過、膜蒸留へと進化し、数え切れないほどの工業製品、プロセス、用途の発明と改良に貢献しています。 膜濾過は現在、果汁の濃縮、水や廃水からの汚染物質の除去、抗生物質生産のための細胞の採取に一般的に使用されています。

膜濾過技術には、従来の分離技術（凝集沈降、砂濾過、溶存空気浮遊など）に比べていくつかの利点があります。 これらの利点には、製品品質の向上、分離能力の向上、リスクファクターの低下、設置面積の縮小、一般に化学薬品の使用量の削減などが含まれます。

膜の世界的な需要は年間 8.5% 成長し、2019 年には 263 億ドルに達すると予想されています2。米国市場だけでも年間 7.9% 成長し、2018 年には 62 億ドルに達すると予想されています。世界的な水不足、水に対するガイドラインの厳格化により、成長はさらに加速する可能性があります。飲料水と廃水の排出品質、膜の製造と運用コストの低下、膜技術の最近の進歩などです。

主な膜用途

産業用膜使用量の 50% 以上を水および廃水処理が占めており、次に食品および飲料プロセス (21%)、製薬および医療用途 (9%) が続きます。 今後 5 年間で、医薬品および医療アプリケーションが最も急速に成長する市場になると予想されます。 この傾向は、純度基準の増加とこの技術の医療用途の拡大によって推進されています。 水処理（脱塩を含む）および食品および飲料の加工は、安定した成長を維持すると予想されます。3

研究開発データの傾向は、Engineering Village データベースから抽出した、2001 年から 2016 年の間に発行された査読付き雑誌論文の数から導き出され、主要な応用分野ごとに分類されました。 過去 10 年間に観察された研究用途の傾向は、産業用途と密接に一致しています。 上下水の研究開発が 40% を占め、続いて食品と飲料が 34% です。

産業界では、ガス分離プロセスと脱塩の開発に重点が置かれています。 一方、研究開発はテクノロジーの限界を押し上げることに重点を置いています。 追加のリソースは、膜蒸留、順浸透、浸透気化、電気透析、酸化グラフェン、上下水用の生体模倣膜などのテーマに関する研究を実施するために割り当てられています。

これらの技術の使用は、新しい膜製品またはプロセスの開発に焦点を当てているだけでなく、性能および関連する運転/資本コストの観点から既存の膜製品およびプロセスを最適化しています。 産業パイプラインにはいくつかの進歩がありますが、そのほとんどはまだ開発の予備段階にあり、市場に普及するには追加の研究が必要です。

膜の分類

膜は分離能力に基づいて、精密濾過 (MF)、限外濾過 (UF)、ナノ濾過 (NF)、および逆/正浸透 (RO/FO) の 4 つのカテゴリに分類されます。 MF 膜は最大の細孔径分布 (ミクロンスケール) を示し、次に UF 膜がサブミクロン範囲で、理論上の 0.001 ミクロンの NF 細孔径に達し、最後に非多孔質 RO 膜と FO 膜が続きます。

現在、MF 膜が業界の需要の大部分 (44%) を占めています。 RO/FO (28%) と UF (25%) は市場で同様のシェアを保持しており、NF 膜はごく一部にとどまっています。 2019 年までに、RO システムの市場規模は 10.5% の年間複合成長率 (CAGR) で 88 億ドルに達すると予想されます。 この成長は主に都市水の淡水化用途と、プロセス水の処理と再利用によって促進されると予想されます。7

膜の分類に関しては、研究と産業の間で同様の傾向が観察されます。 これは、アプリケーションに関してこれら 2 つのセクター間で観察される模倣を繰り返します。 ただし、MF 研究と比較した RO 研究の普及率は、MF 膜の業界シェアがわずかに大きいことを反映していません。

この矛盾は、低エネルギー RO と膜表面修飾に焦点を当てた大量の学術研究によるものである可能性があります。 脱塩、水の再利用、新たな汚染物質の除去、高純度の出力ストリームに対するニーズの高まりにより、RO および FO 分野における研究拡大の緊急性が高まっています。

一方、MF と UF は濾過業界で最も成熟した技術であり、他の膜タイプに比べて比較的低価格です。 MF および UF は、一次濾過方法として、またはより微細な孔を備えた膜の前処理ステップとして広く使用されています。

未来の技術

私たちの調査によると、研究目標（出版された査読文献の数で表される）は、過去 10 年間、業界の需要に忠実に従ってきたことがわかりました。 産業界は研究イニシアチブによって達成された発展から恩恵を受けており、産業界と研究開発目標の間に観察された正の相関関係は、新たな課題に直面している間も継続すると予想されます。 この共生により、より効率的なプロセスと、現在の業界ソリューションの欠点に対処する新しい製品やアプリケーションが生まれるはずです。

この研究は、業界内からの研究情報が不確実であるため分析が限られており、実施された研究と機関が発行した査読済みの文献との間に時間差があるため偏っている可能性があります。

技術開発と業界での採用の相乗効果は、さらなる研究への興味深い手段です。 この相乗効果を理解することで、膜表面修飾、人工浸透、酸化グラフェン、生体模倣膜に基づく開発技術がいつ市場に普及するのか、あるいは普及するのかどうかをより正確に予測できるようになります。