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「膜分離」って、コーヒーフィルタの工業版みたいなものですか？ MFとかUFとか略語がいっぱいあって、何がどう違うのかが分かりません。
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いいたとえだね。基本は「孔の大きさで仕分ける」物理フィルタなんだけど、孔径が4桁も違うから役割がまったく別物になる。MF（精密濾過）は孔径0.1〜1 μm でバクテリアや濁りを取る。UF（限外濾過）は10〜100 kDa（=数nm）でタンパク質やウイルスをカット。NF（ナノ濾過）は200〜1000 Da で多価イオンや農薬を弾く。最後のRO（逆浸透）は<200 Da、要するに水分子しか通さないほどタイトで、海水の塩まで取れる。左の「膜種類」を切り替えると、MWCOが100万→1万→200→100と動くのが見えるよ。
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MWCO（分子量カットオフ）って、その分子量より大きければ全部止まるってことですか？ デフォルトの「UF・MW=5000」だと排除率60%しか出ないんですが…。
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そこが膜分離の難しいところで、MWCOは「90%排除する分子量」を意味するだけで、ヘヴィサイドのような完全なオン・オフじゃない。実用上は「MWCOの5倍以上で99%」「MWCO付近で90%」「MWCOの半分くらいで60〜70%」と緩やかに落ちる。今のUF（MWCO 10,000 Da）で MW=5,000 だと比 0.5、つまり「カット境界の半分」なので排除率は約60%。下の「排除率vs分子量」のグラフを見ると、その遷移がはっきり出る。完全に止めたかったらMWCOの1/5以下の溶質を取り扱うか、ワンランクタイトな膜（NF）に変える、というのが定石だよ。
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フラックスのところに「給水60→実48 LMH」って出てます。ファウリング係数を1.0に上げると60に戻りました。ファウリングって何ですか？
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ファウリングは膜表面に有機物・スケール・微生物のバイオフィルムが付いて、透過率が下がる現象だよ。膜分離の最大の敵で、運転中ずっと進行する。健全な水処理プラントでもファウリング係数は0.7〜0.8あたりで運転していて、これが0.5を切ると「もう洗わないと話にならない」というサインになる。本ツールでは CIP周期 ≈ 30/(1-φ) という単純モデルで、係数0.8なら150日に1回、0.5なら60日に1回、というふうに洗浄頻度を概算してる。実際の海水RO海水淡水化プラントは1〜3ヶ月に1回のCIPが標準だね。
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CIPって「Clean-In-Place」のことですよね。膜は何で洗うんですか？水で流すだけじゃダメ？
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水だけだと有機物の油膜やスケールは落ちないんだ。標準は「アルカリ洗浄 → 水洗 → 酸洗浄 → 水洗」の2段で、40〜50℃に温めた0.1〜0.5%の薬液をモジュール内に循環させる。アルカリ（NaOHやNaOCl）はタンパク質や油分を、酸（クエン酸やHCl）は炭酸カルシウムや鉄スケールを溶かす。乳業のUF膜なら毎日CIP、海水ROなら数ヶ月に1回、と用途で頻度がぜんぜん違う。薬品コストと膜寿命のバランスで、「フラックスが初期の80%を切ったら洗う」というルールが多いね。
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操作圧をROの目安の3000 kPaにすると警告が出ました。圧をかければかけるほどフラックスが上がるわけじゃないんですか？
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そこが現場で見落とされがちなポイント。クリーン膜だけ見れば J = L_p·ΔP で線形に伸びるんだけど、フラックスを上げるほど膜面に溶質が集まる「濃度分極」が強くなって、ある圧力を超えると追加の圧をかけても流量が増えない「限界フラックス」に行き当たる。それを超えて運転するとファウリングが指数関数的に加速して、結局CIPで止まる時間が増えて生産量が落ちる。「持続可能フラックス（sustainable flux）」と呼ばれるこの値以下で運転するのが原則で、UF/MFで50〜100 LMH、NFで20〜40、ROで10〜25というのが世界共通の経験則だよ。
MWCO (Molecular Weight Cut-Off) は、その膜が90%排除する球状分子の分子量(Da)の目安です。例えばMWCO 10,000 Da のUF膜は、分子量10,000 のタンパク質を約90%除去します。実際の排除率は溶質のサイズ（Stokes半径）・形状・電荷で変わり、棒状や柔軟な高分子はMWCOより小さく見えるため通過することがあります。本ツールではmwcoRatio = 溶質MW/MWCO に基づき、5倍以上で99%、1倍付近で90%前後、0.3倍以下で50%以下と段階的にモデル化しています。
孔径と分離対象でおおまかに使い分けます。MF（0.1〜1 μm、100〜300 kPa）は細菌・濁度・コロイドの除去で、上水の前処理や醸造のスケール除去に使います。UF（10〜100 kDa、100〜800 kPa）はタンパク質・ウイルス・大きな高分子の濃縮で、乳業や医薬品純化、上水の高度処理が代表用途です。NF（200〜1000 Da、0.5〜3 MPa）は多価イオン・有機物・農薬の除去で、軟水化やリンスへの応用が多いです。RO（<200 Da、2〜8 MPa）はイオンまで通さず、海水淡水化や超純水製造で標準的に使われます。
LMH = L/m²/h（1平方メートルあたり1時間に何リットルが透過するか）が膜の基本指標です。UF/MFは50〜100 LMH、NFは20〜40 LMH、ROは10〜25 LMHが標準的な持続フラックス（sustainable flux）の目安です。これより高くするとファウリングが急加速し、結局CIPで止まる時間が増えて実生産量が落ちます。本ツールでは温度補正(+2.5%/°C)とファウリング係数(0.1〜1.0)を掛けた実フラックスを計算し、10 LMH未満はNG、CIP周期が14日未満は警告としています。
ファウリングは有機物・スケール・微生物が膜表面に付着して透過率を下げる現象で、運転中は避けられません。本ツールではファウリング係数 0.8 程度を健全運転、0.5 を寿命末期と想定し、CIP周期(day) ≈ 30/(1-foulingFactor) でおおよその洗浄頻度を推定します。実務では月1回の定期CIPに加え、フラックスが初期の80%を切ったら強制CIPをかけるのが標準です。アルカリ→酸の2段洗浄、温度40〜50℃、循環2〜3時間が典型で、薬品コストと膜寿命のバランスで頻度を決めます。
海水淡水化（RO）：サウジ・UAE・イスラエル・シンガポールなど水資源に乏しい国々の主要水源は逆浸透法による海水淡水化プラントです。海水（塩分3.5%）の浸透圧が約2.7 MPaあるため、運転圧は5〜8 MPaに設定します。エネルギー回収装置（ERD）の普及で1m³あたりの電力消費は3〜4 kWhまで下がり、世界の淡水生産量は2025年時点で1億m³/日を超えました。本ツールでROモードに切り替え、MW=58（NaCl）を入力すると排除率99%以上が再現されます。
上水処理・浄水場（MF/UF）：1990年代以降、塩素処理だけでは除去できないクリプトスポリジウムなどの病原性原虫対策で、UF膜が浄水場に導入されました。日本でも100以上の浄水場でMF/UFが稼働しています。微生物の除去率は99.99%以上が確保でき、原水水質の変動にもロバストです。設計フラックスは50〜100 LMH、ファウリング対策に物理洗浄（逆洗・エアスクラブ）を15〜60分ごとに実施するのが標準です。
医薬品・バイオ製造（UF/NF）：抗体医薬やワクチンの精製工程では、UFによる濃縮・脱塩（diafiltration）が標準操作です。MWCO 30 kDaのUF膜なら、150 kDa の抗体を濃縮しつつ低分子の塩や添加物を除去できます。GMP対応で完全に洗浄・滅菌できる中空糸膜やフラットシート膜が選ばれ、PVDFやPESなどの素材が主流です。NFは培地リサイクルや溶媒交換に使われます。
食品・乳製品（UF/NF）：チーズ製造ではUFで牛乳のタンパク質を濃縮（MMV: ミルクプロテイン濃縮液）し、ホエイからβ-ラクトグロブリンを回収するのもUFです。NFは乳糖の濃縮や塩分調整に使われ、海洋深層水の脱塩でも採用されます。本ツールでMW=66,000（牛血清アルブミン）を入力するとUF膜で排除率99%が出るのが確認できます。
まず最大の誤解が、「MWCOより小さければ通る、大きければ止まる」と単純化してしまうこと。実際の膜の孔径分布は正規分布的に広がっており、MWCOはあくまで「90%排除点」の便宜的な指標です。本ツールが示すように、MWCOの半分の分子は60%程度しか排除されません。さらに、棒状の高分子や柔軟なポリマーは球と違って「すり抜ける」ことがあり、分子量だけで判断するとパイロット試験で痛い目を見ます。実務ではStokes半径や対象溶質の実排除率を実測することが不可欠です。
次に、「圧力を上げればフラックスは比例して上がる」という線形思考。クリーン水なら J = L_p·ΔP で成立しますが、実液では膜面に溶質が集まる「濃度分極」と、後続のゲル層形成・ファウリングで、ある圧力を超えると追加の圧力がフラックスにほとんど寄与しない「限界フラックス」現象が現れます。それでも無理に圧を上げるとファウリング進行が指数関数的に加速し、平均フラックスは逆に落ちます。Field らが提唱した「持続可能フラックス（sustainable flux）」以下で運転するのが鉄則で、本ツールでは10 LMH未満をNGとしていますが、上限側は経験的にMF/UFで100、NFで40、ROで25が目安です。
最後に、「ファウリングは可逆だから後でCIPすればよい」という楽観論。ファウリングは「物理洗浄で戻る可逆ファウリング」と「CIPでも戻らない不可逆ファウリング」に分かれます。不可逆ファウリングは初期の運転条件で大半が決まり、特に最初の数百時間で持続的に高フラックスを取りすぎると、膜表面のサブミクロン孔が永久に閉塞して透過性が回復しなくなります。新規プラント立ち上げ時の「条件馴致運転」は、長期寿命のために半月〜1ヶ月かけてフラックスを徐々に上げていく重要なステップです。膜寿命3〜5年と謳う製品も、これを守らないと1年で交換になります。